利用羊八井ASγⅢ期陣列研究宇宙線各向異性隨時(shí)間的演化.pdf

1、地球一直處在高能粒子的轟擊中，這些粒子就是宇宙射線，它們(主要成分為質(zhì)子)從宇宙深處而來(lái)。雖然自宇宙線的發(fā)現(xiàn)以來(lái)已經(jīng)過(guò)了近百年，但這些高能粒子的起源以及如何加速到如此高的能量，到現(xiàn)在仍未能完全解答。大多數(shù)的宇宙線被認(rèn)為是起源于我們銀河系內(nèi)的，由超新星遺跡(SNRs)所加速，它們從遙遠(yuǎn)的地方穿過(guò)星際空間及日球?qū)幼罱K到達(dá)地球，我們觀測(cè)到的宇宙線由于在傳播過(guò)程中受到了銀河系磁場(chǎng)的偏轉(zhuǎn)而整體顯出各向同性的性質(zhì)。但是，有眾多的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在整體各向

2、同性的背景上，宇宙線強(qiáng)度存在著輕微但明顯的各向異性。這種各向異性帶有宇宙線起源、加速及傳播過(guò)程中的信息，因此對(duì)各向異性的研究在宇宙線物理中具有重要的意義。
　　 直到現(xiàn)在，對(duì)各向異性的成因仍未有一致的被廣泛認(rèn)可的解釋。宇宙線的各向異性有以下幾個(gè)可能的起因：首先，它可能是由加速源的不均勻分布以及宇宙線在銀河系空間中的傳播過(guò)程有關(guān)。其次，大尺度以及局部的磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)也會(huì)引起宇宙線的各向異性，這其中可能包括日球?qū)拥男?yīng)。另外，由觀測(cè)者和宇

3、宙線等離子體之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)也可產(chǎn)生各向異性，這種效應(yīng)被稱(chēng)為“Compton-Getting”效應(yīng)。
　　 從多家實(shí)驗(yàn)的分析來(lái)看，在幾十GeV到PeV這個(gè)很寬的能量范圍內(nèi)，宇宙線各向異性的一階諧波振幅和相位都是隨能量而變化的。在幾十GeV之下，太陽(yáng)活動(dòng)對(duì)宇宙線有很強(qiáng)的調(diào)制作用，宇宙線進(jìn)入日球?qū)雍笈c太陽(yáng)風(fēng)磁場(chǎng)相互作用，因此該能量宇宙線的各向異性可以反映太陽(yáng)風(fēng)磁場(chǎng)的結(jié)構(gòu)。隨能量增高，宇宙線對(duì)太陽(yáng)調(diào)制愈加不敏感。在multi-TeV能量

4、，宇宙線粒子達(dá)幾百AU的回旋半徑已和日球?qū)涌臻g的尺度相當(dāng)，但是眾所周知，日球?qū)佑幸粭l長(zhǎng)長(zhǎng)的尾巴，這條長(zhǎng)尾對(duì)于該能量的宇宙線依然可能存在調(diào)制效應(yīng)。因此這個(gè)能量的大尺度各向異性可以給出關(guān)于日球?qū)哟艌?chǎng)結(jié)構(gòu)或日球附近星際空間局域結(jié)構(gòu)的重要信息。
　　 太陽(yáng)有著約11年的活動(dòng)周期，且它的磁場(chǎng)極性有著跨越兩個(gè)太陽(yáng)周期的長(zhǎng)周期。既然multi-TeV宇宙線有可能受到太陽(yáng)活動(dòng)的調(diào)制，也就可以預(yù)期各向異性會(huì)隨太陽(yáng)周期而變化。有許多實(shí)驗(yàn)都研究了宇宙

5、線各向異性同太陽(yáng)活動(dòng)的關(guān)聯(lián)，但它們得出的結(jié)論卻有相互沖突的地方，這需要更多的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)以作研究。與此同時(shí)，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)600 GV剛度的宇宙線太陽(yáng)時(shí)各向異性有隨太陽(yáng)活動(dòng)相關(guān)的周期11年的變化，這或許可以給出太陽(yáng)活動(dòng)對(duì)太陽(yáng)時(shí)各向異性影響的能量上限。Tibet ASγ實(shí)驗(yàn)也報(bào)道了在4 TeV處超出預(yù)期CG效應(yīng)的太陽(yáng)時(shí)各向異性調(diào)制，這顯示太陽(yáng)活動(dòng)對(duì)太陽(yáng)時(shí)各向異性的調(diào)制或許可以延伸至multi-TeV能量。本工作中對(duì)于該能量宇宙線太陽(yáng)時(shí)各向異性隨太陽(yáng)

6、活動(dòng)的時(shí)間演化關(guān)系可以給出有關(guān)這種額外效應(yīng)的理解。
　　 Tibet ASγ EAS陣列實(shí)驗(yàn)位于中國(guó)西藏羊八井鎮(zhèn)(90.522°E，30.102°N，海拔4300米)，于1990年建成。1999年秋，TibetⅢ陣列配置完成。由于具有大視場(chǎng)、高探測(cè)事例率以及良好的角分辨能力，TibetⅢ陣列可以得出目前國(guó)際上最精細(xì)的multi-TeV能量宇宙線強(qiáng)度的測(cè)量。利用等天項(xiàng)角原理，一種發(fā)展成熟的分析方法可以給出宇宙線強(qiáng)度的兩維結(jié)構(gòu)。相比

7、較先前實(shí)驗(yàn)所只能給出的簡(jiǎn)單的宇宙線隨時(shí)間的一維分布，這種兩維結(jié)構(gòu)可以給出更多細(xì)致的信息以幫助我們認(rèn)識(shí)和理解各向異性。TibetⅢ的運(yùn)行觀測(cè)期為1999.11一2008.12，這包含了第23個(gè)太陽(yáng)周期太陽(yáng)活動(dòng)由極大到極小整個(gè)后半部分的時(shí)期。因此，我們能夠給出更多關(guān)于宇宙線各向異性隨太陽(yáng)活動(dòng)時(shí)間變化的信息，不止是先前實(shí)驗(yàn)所做的單純的一維分布的諧波參數(shù)的變化，還包括兩維分布天圖隨時(shí)間在不同年份的性質(zhì)。
　　 由于存在不同周期的各向異性

8、調(diào)制，因此在分析每個(gè)單獨(dú)周期的各向異性時(shí)，需要有足夠長(zhǎng)時(shí)期的觀測(cè)以消除不同周期各向異性之間的相互干擾。另外考慮到由探測(cè)器的死時(shí)間而產(chǎn)生的不均勻的事例率，我們需要對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)作活時(shí)間修正。要去研究短期內(nèi)的各向異性，之前的方法是難以消除不同周期的相互干擾的，我們需要尋求新的有效方法來(lái)消除這些干擾效應(yīng)。利用Lomb-Scargle Fourier變換方法對(duì)TibetⅢ數(shù)據(jù)的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，對(duì)于能量在3.0-12 TeV之間的宇宙線，除了我們所知的

9、量級(jí)為10-3的各向異性的太陽(yáng)日、恒星日以及半恒星日周期調(diào)制外，在一小時(shí)到兩年的范圍內(nèi)，沒(méi)有探測(cè)到其它周期的各向異性調(diào)制?；谶@個(gè)結(jié)論，在本工作中，認(rèn)為在某一時(shí)刻某一方向(對(duì)地平坐標(biāo)系而言)上的宇宙線強(qiáng)度是由太陽(yáng)時(shí)周期和恒星時(shí)周期下對(duì)應(yīng)的相應(yīng)位置上兩個(gè)各向異性的獨(dú)立效應(yīng)的合效應(yīng)，這并不受事例數(shù)分布不均的影響。同ASγ實(shí)驗(yàn)之前的分析方法不同，對(duì)于相對(duì)較短時(shí)期觀測(cè)來(lái)說(shuō)，本工作可以同時(shí)得到太陽(yáng)時(shí)和恒星時(shí)下的宇宙線各向異性，且無(wú)需作因事例分布不

10、均所要求的活時(shí)間修正。
　　 在本文中，利用TibetⅢ運(yùn)行期的數(shù)據(jù)，我們分析了multi-TeV宇宙線太陽(yáng)時(shí)各向異性和恒星時(shí)各向異性年與年之間隨時(shí)間的變化。除了一維諧波擬合參數(shù)的時(shí)間演化，我們還看到了各向異性兩維分布在不同年份的結(jié)構(gòu)特征隨時(shí)間的演化。我們發(fā)現(xiàn)，在TibetⅢ整個(gè)觀測(cè)時(shí)期里，太陽(yáng)時(shí)各向異性和恒星時(shí)各向異性都是比較穩(wěn)定的。注意到，由于缺乏太陽(yáng)極性反轉(zhuǎn)前足夠的統(tǒng)計(jì)量，我們無(wú)法研究太陽(yáng)極性的反轉(zhuǎn)對(duì)各向異性結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影

11、響。要研究這種效應(yīng)，需要我們持續(xù)現(xiàn)在ASγ實(shí)驗(yàn)對(duì)宇宙線各向異性的觀測(cè)。對(duì)于各向異性的本質(zhì)及其它一些尚未解決的問(wèn)題，也需要我們進(jìn)一步的研究和努力。
　　 概括來(lái)說(shuō)，本論文工作主要有以下三個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)：第一，用本論文所引入的研究方法，我們利用短期觀測(cè)的少量數(shù)據(jù)同時(shí)擬合得出太陽(yáng)時(shí)周期和恒星時(shí)周期下的宇宙線各向異性，且避免了之前方法所必需要做的活時(shí)間修正步驟。第二，我們給出了準(zhǔn)確合理的由兩維天圖到一維分布的投影方法，并作相應(yīng)的諧波函數(shù)擬合，

12、以此便于與之前實(shí)驗(yàn)的諧波分析結(jié)果相比較。且這種方法經(jīng)過(guò)了Monte Carlo的檢驗(yàn)。第三，我們得到了multi-TeV宇宙線在太陽(yáng)時(shí)和恒星時(shí)周期下的各向異性隨時(shí)間演化性質(zhì)的最高精度的觀測(cè)結(jié)果，這不僅包含與其它實(shí)驗(yàn)相同的一維諧波擬合參數(shù)隨時(shí)間的變化，更給出了空間兩維結(jié)構(gòu)隨時(shí)間的演化特征。本論文的不足之處在于：由于缺乏最近太陽(yáng)極性反轉(zhuǎn)前足夠的統(tǒng)計(jì)量，我們無(wú)法得出太陽(yáng)極性反轉(zhuǎn)對(duì)于各向異性結(jié)構(gòu)變化的影響。若進(jìn)一步研究該效應(yīng)，需要我們進(jìn)行持續(xù)穩(wěn)