ARGO實(shí)驗(yàn)中“膝”區(qū)原初宇宙線成分分辨方法研究.pdf

1、宇宙線(來(lái)自宇宙空間的質(zhì)子和原子核)的能譜遵循負(fù)冪律：dN/dE ∝ E1，但在能量約為4 PeV附近，宇宙線的全粒子能譜有明顯的拐折，冪指數(shù)由γ≈-2.7變?yōu)棣谩?3.1，形成所謂的“膝”結(jié)構(gòu)，對(duì)應(yīng)的能區(qū)稱為“膝”區(qū)。雖然實(shí)驗(yàn)上已經(jīng)觀測(cè)到這一結(jié)構(gòu)，但是它的成因還不能確定。為解釋宇宙線能譜的這一特殊結(jié)構(gòu)，人們提出了多個(gè)理論模型。某些模型認(rèn)為，“膝”結(jié)構(gòu)起因于宇宙線的加速和傳播過(guò)程，是宇宙線能譜的內(nèi)稟特性；而另外一些模型認(rèn)為，在超高能下新

2、的強(qiáng)相互作用機(jī)制的出現(xiàn)導(dǎo)致了“膝”區(qū)的形成。大多數(shù)的理論模型可很好地解釋實(shí)驗(yàn)所觀測(cè)到的宇宙線全粒子能譜，但所預(yù)言的“膝”區(qū)宇宙線各個(gè)分成分的能譜卻存在著很大的差異。因此在實(shí)驗(yàn)上精確測(cè)量“膝”區(qū)原初宇宙線的分成分能譜對(duì)于了解甚高能宇宙線的起源、加速和傳播機(jī)制具有重要的意義。 由于宇宙線流強(qiáng)隨能量急劇下降，超高能的宇宙線粒子已經(jīng)不能通過(guò)高空氣球?qū)嶒?yàn)或衛(wèi)星實(shí)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行直接觀測(cè)，只能利用位于地面的探測(cè)器陣列通過(guò)廣延空氣簇射(Extensi

3、ve Air Shower，EAS)過(guò)程進(jìn)行間接的測(cè)量。如何有效地區(qū)分由不同的原初宇宙線粒子所引起的空氣簇射是利用地面實(shí)驗(yàn)進(jìn)行“膝”區(qū)物理研究的關(guān)鍵。這一方面要求探測(cè)器陣列本身能夠提供盡可能多的有關(guān)EAS的實(shí)驗(yàn)信息，另一方面需要在數(shù)據(jù)分析過(guò)程中采用有效的分辨由各種原初粒子所引起的空氣簇射的方法。 中意合作ARGO-YBJ實(shí)驗(yàn)是位于我國(guó)西藏羊八井宇宙線觀測(cè)站(大氣深度606g/cm2，海拔高度4300m)的廣延大氣簇射地面探測(cè)實(shí)驗(yàn)

4、，該實(shí)驗(yàn)采用了由阻性板計(jì)數(shù)器(Resistive Plate Chamber，RPC)所組成的“地毯式”探測(cè)器陣列，具有高的覆蓋率(90％以上)和很好的時(shí)間、空間分辨率的特性，可以對(duì)到達(dá)陣列的EAS粒子的時(shí)間和空間分布進(jìn)行較為細(xì)致的測(cè)量，探測(cè)器信號(hào)的模擬讀出使得陣列的觀測(cè)能區(qū)可以涵蓋“膝”區(qū)；另外ARGO-YBJ實(shí)驗(yàn)陣列處于由“膝”區(qū)原初宇宙線粒子所引起的空氣簇射的縱向發(fā)展極大區(qū)域，簇射大小的漲落小且?guī)缀跖c原初粒子的種類無(wú)關(guān)，利用該實(shí)驗(yàn)

5、的觀測(cè)信息可以較精確地測(cè)量原初粒子的能量。這些特點(diǎn)使得ARGO-YBJ實(shí)驗(yàn)在分辨“膝”區(qū)原初粒子種類和重建原初粒子能量上具有優(yōu)勢(shì)，如果再配以有效的數(shù)據(jù)分析方法，有望得到較精確的“膝”區(qū)原初粒子的分成分能譜，進(jìn)而為解決“膝”區(qū)物理問(wèn)題提供可靠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。本文的目的就是針對(duì)ARGO-YBJ實(shí)驗(yàn)陣列的特點(diǎn)，利用Monte Carlo模擬數(shù)據(jù)尋找可有效地區(qū)分由不同的原初粒子所引起的空氣簇射的方法，并研究測(cè)量“膝”區(qū)原初粒子分成分能譜的可行性。在

6、本工作中，首先利用CORSIKA程序進(jìn)行了EAS模擬。為了估計(jì)強(qiáng)相互作用模型對(duì)分辨結(jié)果的影響，在EAS數(shù)據(jù)模擬中選用了兩種最具代表性且與實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合較好的強(qiáng)相互作用模型：QGSJET-II和SIBYLL。利用這兩種強(qiáng)相互作用模型，細(xì)致地模擬了能量在100TeV-10PeV之間的不同原初宇宙線粒子(質(zhì)子，He核，CNO核，Mg-Si核，鐵核)所引起的EAS過(guò)程。利用以GEANT3為基礎(chǔ)的探測(cè)器模擬程序模擬了EAS次級(jí)粒子在ARGO探測(cè)器中

7、的傳輸過(guò)程和探測(cè)器的響應(yīng)，獲得了具有足夠統(tǒng)計(jì)量的Monte Carlo模擬數(shù)據(jù)。 利用這些模擬數(shù)據(jù)分析了由不同的原初粒子所引起的簇射中次級(jí)粒子的時(shí)間、空間分布特征，得到了平均橫向分布寬度＜R＞、80％半徑R80、芯位區(qū)域與R80區(qū)域粒子密度之比Ratio80、簇射前鋒面斜率Sfront等幾個(gè)可以描述不同簇射的次級(jí)粒子時(shí)間-空間分布的差異的特征量。將這些特征量作為人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入量，進(jìn)行了多參數(shù)分析。訓(xùn)練所得的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以對(duì)原初

8、質(zhì)子成分做出有效識(shí)別。為了研究不同強(qiáng)相互作用模型對(duì)網(wǎng)絡(luò)分辨效率的影響，分別利用兩種強(qiáng)相互作用模型數(shù)據(jù)訓(xùn)練、測(cè)試了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，并進(jìn)行了交叉檢驗(yàn)(利用一種模型數(shù)據(jù)訓(xùn)練所得的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)另一種模型的數(shù)據(jù)進(jìn)行分辨)。結(jié)果表明：人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)挑選效果對(duì)強(qiáng)相互作用模型的依賴性較弱，在保存約40％質(zhì)子事例的情況下可以排除約94％的其他強(qiáng)子事例。利用所挑選出來(lái)的質(zhì)子事例，對(duì)“膝”區(qū)質(zhì)子的能譜進(jìn)行了重建，所得結(jié)果與模擬中實(shí)際使用的能譜可以很好地符合。

9、另外，本工作還使用了多尺度分析方法研究了區(qū)分“膝”區(qū)原初鐵核的可行性。對(duì)在探測(cè)平面上的簇射次級(jí)粒子的分布進(jìn)行多重分形分析和小波變換分析，得到了兩個(gè)表征簇射次級(jí)粒子靶圖分形特性的特征量：多重分形矩指數(shù)和小波變換矩指數(shù)。分別取它們?cè)趒=4，6，8時(shí)的值作為人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入值，得到了可以有效分辨“膝”區(qū)原初鐵核成分的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。將數(shù)據(jù)按擊中數(shù)分段分別進(jìn)行了多參數(shù)分析，分辨結(jié)果表明，所得人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)次級(jí)帶電粒子數(shù)＞20000的事例分辨效果

10、最好，對(duì)鐵核事例的判選率為56.4％，對(duì)其他強(qiáng)子事例的排除率為98.3％，品質(zhì)因子可達(dá)到4.36。綜上，通過(guò)對(duì)ARGo-YBJ實(shí)驗(yàn)條件的細(xì)致模擬和對(duì)簇射事例的仔細(xì)分析，本工作得到了可以用來(lái)區(qū)分原初粒子種類的特征量。結(jié)合人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了多參量分析，并檢驗(yàn)了人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)強(qiáng)相互作用模型的依賴性。結(jié)果表明，所得的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的分辨效果對(duì)強(qiáng)相互作用模型的依賴性較弱，可對(duì)“膝”區(qū)各原初成分引起廣延大氣簇射事例做出有效分辨，從而重建出“膝”區(qū)質(zhì)子