[论文解读] Status of the EAS studies of cosmic rays with energy below 10**16 eV

Hongbo Hu|ArXiv.org|Nov 16, 2009

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 2被引用 4

一句话总结

本文综述了能量低于10¹⁶ eV的广延空气簇射（EAS）实验研究宇宙射线的现状，重点关注宇宙射线能谱中的‘膝’结构以及强子相互作用模型的作用。文章强调，为解决银河系宇宙射线的起源问题，必须在‘膝’能区实现精确的质量组成测量；同时指出μ子研究对于检验模型以及减少地下实验中的本底至关重要。

ABSTRACT

This paper briefly summarizes the status of the cosmic ray observations by EAS (Extended Air Shower) experiments with energy below 10**16eV and the related studies of the hadronic interaction models. Based on the observed sharp knee structure and the irregularities of the cosmic ray spectrum around knee energy, plus the newly discovered electron and positron excess, the origin of the galactic cosmic rays and the single source model interpretation are discussed, but convincing evidence is not yet available. High precision measurements of the mass composition of primary cosmic rays at knee energy will be very useful to disentangle the problem. To reach this goal, a better understanding of the hadronic interaction models is crucial. It is good to see that more dedicated accelerator and cosmic ray experiments will be conducted soon. As one EAS component, the muon distribution and muon charge ratio are important for testing the hadronic interaction models. In addition muons are an important background to neutrino experiments and all underground ultra-low background experiments. They are also a very useful tool for the meteorological studies.

研究动机与目标

• 总结能量低于10¹⁶ eV的EAS实验在宇宙射线观测中的当前状态，特别是‘膝’能区附近的情况。
• 评估强子相互作用模型在解释宇宙射线数据及约束宇宙射线起源中的作用。
• 评估在‘膝’能区实现高精度质量组成测量的重要性，以解决单一致源模型与加速机制问题。
• 考察μ子分布与电荷比在检验强子模型以及减少地下实验本底中的意义。
• 突出未来实验努力与仪器技术进步，旨在提升对宇宙射线与伽马射线的探测灵敏度。

提出的方法

• 综合分析来自地面EAS实验、高空气球载探测器以及UHECR观测站的宇宙射线能谱，以校准能量标度并研究谱特征。
• 利用EAS实验中的μ子探测器测量μ子通量、能量谱与电荷比，从而检验强子相互作用模型。
• 分析长期μ子数据（例如LVD的8年数据）以检测与大气及地球自转效应相关的年周期与日周期调制模式。
• 应用深水与冰中μ子通量与能谱的参数化模型，以支持中微子与暗物质实验中的快速模拟。
• 整合多个EAS实验（如Tibet ASγ、GRAPSE-3、LVD、OPERA）的数据，通过μ子拒收技术提高对伽马射线的探测灵敏度。
• 评估未来实验概念，如配备双层（电磁与μ子）探测器的km²阵列，以提升在多TeV与100 TeV能量区的伽马射线探测灵敏度。

实验结果

研究问题

• RQ1 在约4 PeV附近的宇宙射线能谱中，为何出现陡峭的‘膝’结构？这对其加速与传播机制有何启示？
• RQ2 在‘膝’能区对原初宇宙射线质量组成的精确测量，如何有助于区分单一致源模型与其它解释？
• RQ3 μ子通量与电荷比的测量在多大程度上约束了当前强子相互作用模型的有效性？
• RQ4 大气μ子调制（年周期与日周期）如何与地球公转与自转运动相关联？这对暗物质探测有何影响？
• RQ5 通过在未来的EAS基伽马射线观测站中引入μ子探测，伽马射线探测灵敏度可提升多少？

主要发现

• 宇宙射线能谱在约4 PeV处出现明显的‘膝’结构，谱指数由-2.7突变为-3.1，普遍解释为超新星遗迹激波加速所能达到的最大能量。
• LVD实验在μ子能量>1.3 TeV时观测到年周期μ子通量调制，幅度为(1.5 ± 0.1)%，峰值出现在7月初，与DAMA/NaI和DAMA/LIBRA实验观测到的调制高度一致。
• LVD与DAMA实验中年周期μ子调制的相位与幅度一致，表明其具有共同的大气起源，而非暗物质相互作用所致。
• ANTARES的初步结果显示，深水（2000–7000 m）中μ子通量随深度的变化与先前测量结果一致，支持模型的可靠性。
• 已计算出至PeV能量范围的μ子通量与电荷比预测，可为未来中微子与暗物质实验提供更优的模拟支持。
• 未来基于EAS的伽马射线观测站（如拟议的配备电磁与μ子双层探测器的km²阵列）预计可通过基于μ子的本底拒收技术，在100 TeV能量处将灵敏度提高十倍，在多TeV能量处提高两倍。