极高能宇宙线的研究进展

极高能宇宙线是能量高于≈10^(19)eV的带电或中性的宇宙线粒子。其成分和形成机制的研究是宇宙线物理的重要内容之一,对高能天体物理、粒子物理和宇宙学等相关学科具有重要意义,而且很可能是揭示某些新的基本物理规律的突破点。围绕GZK疑难,重点综述了极高能宇宙线的观测和理论研究现状,对其研究前景作了展望。

高能中微子和极高能宇宙线起源天体的理论研究

极高能宇宙线一般指来自地外的能量高于1018电子伏特(eV)的高能质子与原子核,其起源的研究一直是高能天体物理和粒子天体物理领域的热点问题.近年随着一些大型探测器(如Pierre Auger天文台)的运行,极高能宇宙线的研究取得很大进展.然而由于极高能宇宙线事例相对较少及其在从源到地球传播过程中的复杂性(如与宇宙微波背景辐射以及磁场的作用),需要通过观测这些宇宙线在强子反应中产生的次级粒子(如中微子)来获得其起源的额外信息.最近,位于南极的IceCube中微子天文台探测到了54个能量分布在60TeV{3PeV内的中微子事例,开启了高能中微子天文学的新时代.在本文中,我们研究了高能中微子、极高能宇宙线的天体物理起源以及它们之间可能的联系.

河外极高能宇宙线的起源

由于大型宇宙线探测器Pierre Auger,Telescope Array等的观测,极高能宇宙线(能量大于1018 e V的宇宙线)的研究取得了很大进展,包括探测到高能能谱变陡,与河外天体源的可能相关性,以及化学成分组成等.然而这些宇宙线的起源天体仍未知.本文将评述河外极高能宇宙线起源的候选天体,包括伽玛射线暴,活动星系核,巨超新星等.同时我们从多信使角度(包括高能中微子,伽玛光子的观测),探讨这些天体是河外极高能宇宙线起源天体的可能性.

宇宙线天体物理中的几个重要问题

宇宙线是来自宇宙空间的高能粒子流，研究宇宙线的起源、加速、传播机制及其所涉及的天体物理和宇宙学过程是宇宙线天体物理研究的重要内容。本文介绍并讨论其中几个涉及物理学一些基本问题的重要课题的研究现状及前景，其中包括极高能宇宙线的观测研究，太阳中微子能谱的实时测量，宇宙线中新粒子的搜寻等。

天山射电实验探测极高能中微子和宇宙线

宇宙中微子正开启一个电磁波观测宇宙之外的全新窗口.然而,传统的中微子探测手段由于造价过高,导致探测器有效面积不足或观测时间有限等问题,不便于进行高能中微子(一般认为能量大于1015 eV为超高能,能量大于1018 eV为极高能)的观测.射电阵列,采用造价低、全天候观测的射电天线,可以建造大面积的观测阵列,达到极高能中微子天文学和极高能宇宙线探测所需的高灵敏度.在科技部国家重点基础研究发展计划项目"宇宙第一缕曙光探测"的资助下,原型阵列TREND(天山射电探测中微子探测器)在2011–2012年的运行过程中取得了重要的成果,仅依靠单极化接收天线阵列,首次证明了不依赖于传统粒子探测器的自触发射电探测方式可以对高能粒子大气簇射进行有效探测.我们计划建造一个巨型天线阵列GRAND,这将是世界上1017 eV以上最灵敏的高能中微子望远镜,可以对高能中微子进行有效的观测.

高海拔地区广延大气簇射过程模拟与分析

研究了初始高能质子和电子入射条件下的广延大气簇射,当高能质子与电子穿越大气层时与大气组分发生相互作用,产生次级粒子,次级粒子能量足够高时会在向下飞行时再次发生碰撞,产生新的次级粒子,从而形成级联簇射.由于宇宙线初始能量极大,甚至可达1020 eV,故其经广延大气簇射过程到达地表时粒子可能对地表电网等设施造成恶劣影响,因而该现象越发引起研究者的重视.利用蒙特卡洛方法模拟分析了到达高海拔近地观测面的簇射射线中所包含的主要粒子种类、各种类粒子所占份额及其横向分布情况.所得模拟结果为进一步分析其对高海拔地区高压电网及敏感电气设施的安全防护奠定理论基础.

张丙开教授简介

张丙开,男,教授,1976年11月出生,安徽宿州人。2008年毕业于中国科学院高能物理研究所粒子物理与原子核物理专业,获博士学位。 参与了国际著名极高能宇宙线实验（美国HiRes实验）的数据分析和物理分析工作,发展了一套新的重建宇宙线事例的方法,提高了宇宙线到达方向的重建精度,解决了探测器有效孔径因大气质量影响而估计不准的难题,测量了极高能宇宙线的能谱。这些工作得到HiRes实验合作组的广泛认可和好评。

天体粒子物理新世界

2002年2月5～7日在葡萄牙Algarve大学召开了“第四次天体粒子物理新世界国际会议”，这次国际会议的每个分会都对当前各领域状况做了一个综述，会上讨论的内容包括宇宙学参数、中微子物理和天体物理、引力波、宇宙线起源、传播和交互作用、极端状态下的物质、超新星和暗物质等。各领域的专家介绍了疏远超新星和宇宙学背景辐射近期成果，引力波探测新计划，国际空间站极高能宇宙线检测情况，