博士论文-用羊八井一期和二期数据测量10TeVγ射线源

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题名	博士论文-用羊八井一期和二期数据测量10TeVγ射线源
作者	张吉龙
学位类别	博士
答辩日期	1998
授予单位	中国科学院研究生院
授予地点	北京
导师	丁林恺
关键词	γ射线宇宙线高能天体物理
学位专业	粒子物理
中文摘要	高能宇宙射线的起源问题，是宇宙线物理和天体物理的一个基本问题。对这个问题，至今只有一般的了解。较为普遍被接受的观点是：宇宙线高能粒子的大部分（例如由GeV到100TeV能区的大部分粒子）应起源于银河系超新星爆发对星际介质中核粒子的激波加速；宇宙线能谱在10~（15）eV到10~（16）eV间所存在的“膝”，可能是激波加速的截止及银河禁闭的失效，也可能是河内或河外另一个宇宙线源的贡献；10~（18）eV 以上的宇宙线，则极可能来源于河外。但是，至今还未能确定一个具体的天体，确认它就是高能宇宙线的源。自八十年代后半期以来，在TeV能区采用大气切伦柯夫光观测技术，在10TeV以上能区采用广延大气簇射阵列，开展了宇宙γ射线源的寻找，其目的就是要找出作为高能宇宙线源的具体天体。在TeV能区，采用成象切柯无望远镜，Whipple组、Cangaroo组等找到了6个显著性在6σ以上的γ射线源。但是，所有这些源的能谱特征，都可以用高能电磁辐射过程作出满意的解释。具体地说，可以用自同步康普顿散射（SSC）模型作出满意的解释，还没有涉及质子有核的过程。也就是说，目前只证明了这6个TeV能区的γ源是高能电子源，还没有证明它们是高能质子或原子核的源，而要寻找宇宙线源，中心没有脉冲星提供能量的壳型超新星遗迹可能是最好的候选者。在壳型超新星遗迹内的激波加速机制被认为可能将质可原子核加速到时10~（14）eV 或埸高一点的能区，由DAV模型预测的γ能谱表明，这些受到加速的粒子的能量大于100TeV时，可以产生我们能够观测到的γ射线流强。EGRET已经探测到5个高能γ射线源与超新星遗迹的位置吻合。随后，Whipple 组从1995年开始连续3年对这一批壳型超新星遗迹进行观测，其它一些小组也进行了类似的观测，这些观测最终都没有得到正的结果。本工作利用西藏羊八井广延大气簇射阵列，对北天分布在赤纬 -10°～70° 范围内的58个超新星遗迹和25个活动星系核可能的10TeVγ射线发射进行了广泛的寻找。尤其对壳型超新星遗迹的的10TeV γ射线发射进行了仔细的搜索，发现来自于一个壳型超新星遗迹的较强信号迹象。这一观测结果如果最终得到证实，将是第一次找到的有10TeVγ射线发射的壳型超新星遗迹，也是第一次以10TeVγ发射的数据提供了壳型超新星遗迹可能是高能质子或原子核的宇宙线源的证据，这将对人们理解超新星遗迹的演化及宇宙线的起源提供重要的实验证据，具有非常重要的意义。第一章简要回顾了宇宙射线研究的历史，介绍了高能γ射线观测的现状。在高空观测方面，自从1967年星载探测器上天以来，给高能γ天文带来了巨大的丰收，记录到大量的γ暴，发现了许多高显著性γ射线源。在地面上，广延大气簇射实验没有得到当初预想的结果，而采用大气切伦柯夫光成像技术，在高能γ射线探测方面取得了很的成功，使成像大气C光望远镜成为目前高能γ射线观测的主要手段。利用这一手段，Whipple、Cangaroo等小级在TeV能区找到了6个显著性在6σ以上的γ射线源。进一步寻找高能宇宙射线源的工作还将继续进行，尤其在壳型超新星遗迹中寻找高能γ射线发射的工作将是今后一个重点。第二章介绍了高能宇宙射线的起源。超新星爆发可能是银河系内的高能宇宙射线的来源。在超新星遗迹内部受到加速的高能电子，可以通过自同步康普顿散射（SSC）过程，产生高能γ射线发射，这一模型成功地解释了蟹伏星云的非脉冲TeVγ射线发射。超新星爆发产生的激波能够有效的加速核粒子，这些加速到很高能量的核粒子也可能在超新星遗迹的壳部与超新星爆发的抛射物以及星际介质中的核粒子发生p-p碰撞产生π_0介子，π_0介子再衰变产生能量高于TeV的高能γ光子。来自于河外的高能宇宙射线可能起源于象活动星系核一类有剧烈活动的天体。普遍认为活动星系核的能量输出能由黑洞解释。目前，在TeV能区观察到的来自于活动星系核的高能γ射线发射，一般也可以用（SSC）模型进行解释。第三章介绍羊八井EAS阵列实验。羊八井一期阵列由排列成7 * 7 的共49个塑料闪烁体探测器组成，探测阈能为10TeV左右，事例触发率为20Hz，角分辨小于1°。二期阵列由221个塑料闪烁体探测器构成，触发率增加到250Hz，角分辨为1.15°，加密部分的探测阈能为2TeV，还增加了80m~2的乳胶室和Burst探测器，用于EAS阵列联合运行。使用目前世界上精度最高的GPS（全球卫星定位系统）测量仪，精确定出了三期阵列探测器的准确位置（测得的精度为2cm左右）。二期阵列新安装了LED（发光二极管）定标系统，对阵列的运行进行随时的监测和定标。羊八井记录数据使用的EXB磁带机存取速度不够快，在数据量大的情况下，增加了阵列运行的死时间，采用磁带机与数据采集系统的并行方法克服了磁带机的上述使用缺陷。第四章讨论了寻找高能γ射线点源的方法。赤经扫描方法和等到天顶角方法是寻找点源的两种方法，讨论了如何正确使用这两种方法去估计背景事例。根据身源事例数和背景事例数，可以估计出事例超出的显著性，目前在γ天文中广泛采用李-马的统计方法计算显著性。在事例超出的显著性较低的情况下，可以根据向源事例数和背景事例数示了事例的上限数。通过Monte Carlo模拟得到羊八井二期阵列对58个超新星遗迹和18个活动星系核的探测效率，从而求出了来自这些天体的10TeV γ流可上限。在第五章中，利用羊八井一期阵列从1990年7月到1993年10月的数据，采用等天顶角方法估计背景，寻找包括蟹伏星云在内的58个超新星遗迹和包括Mrk421和Mrk501在内的25个活动星系核的10TeVγ射线稳定直流超出。利用李-马的方法，计算了这些候选源直流超出的显著性，没有出现统计上有显著意义的直流超出。采用Kolmogorov-Smirnov检验法，对这些候选源的数据样本偏离标准正态分布的程度进行了检验，没有发现显著偏离标准正态分布。最后，给出了它们的流强上限。对这些星体的短期超出作了搜寻，在短到0.1天左右的时间间隔内发现有短期超出的迹象。第六章利用羊八井二期阵列从1995年10月到1996年8月的数据，采用等天顶角方法在58个超新星遗迹和18个活动星系核中寻找高能γ射线发射，发现某些天体在一期和二期数据中均有较高的显著性，将一期阵列与二期阵列的数据合在一起，发现超新星遗迹GC41.1-00.3 的显著性高于4σ。进一步的分析发现在银道面上银经等于40°位置附近有一定的正信号，这些信号可能由超新星遗迹GC40.5-0.5或GC41.1-00.3所贡献。利用二维分析方法，作出了这一区域超出的等高线图，图中最大超出达到4.5σ。第七章总结了我在整个博士生学习期间的工作，对下一步工作提出了一些设想。对银道面上银经等于40°位置附近发现的正信号，随着羊八井二期阵列数据的逐渐积累，最终可能在这一位置附近获得有更高统计意义的结果。
语种	中文
学科主题	粒子物理
公开日期	2016-02-25
内容类型	学位论文
源URL	[http://ir.ihep.ac.cn/handle/311005/209437]
专题	粒子天体物理中心_学位论文和出站报告
作者单位	中国科学院高能物理研究所
推荐引用方式 GB/T 7714	张吉龙. 博士论文-用羊八井一期和二期数据测量10TeVγ射线源[D]. 北京. 中国科学院研究生院. 1998.