高海拔宇宙线观测实验中scaler模式的模拟研究

位于四川省稻城县海子山的高海拔宇宙线观测站(LHAASO)包含3个子阵列,即地面粒子探测器阵列(KM2A)、水切伦科夫探测器阵列(WCDA)和广角大气切伦科夫望远镜阵列(WFCTA).作为LHAASO实验的主阵列,KM2A由5195个地面电磁粒子探测器(ED)和1188个地下缪子探测器(MD)组成.对地面宇宙线观测实验来说,常有两种独立的数据采集模式,即shower模式和scaler模式.本文通过Monte Carlo方法,利用CORSIKA软件包和G4KM2A软件包,对KM2A-ED阵列中的scaler模式进行了模拟研究.当64个ED作为一个cluster、符合时间窗口为100 ns时,多重数m≥1,2,3和4的计数率分别约为88 kHz,1400 Hz,220 Hz和110 Hz.对scaler模式探测原初宇宙线的能量和有效面积也进行了模拟计算,发现KM2A-ED中多重数m≥1时探测原初质子的阈能可降低到100 GeV、有效面积高达100 m^(2).本模拟结果为LHAASO-KM2A实验中进行scaler模式的数据触发提供了具体方案,为后续的实验数据分析提供了信息.

宇宙线相关的诺贝尔物理学奖

20世纪初,物理学家在对大气导电性的研究中发现了宇宙线,时至今日,宇宙线的发现已过百年.宇宙线是指来自宇宙空间的高能粒子,是人类能够获得的来自太阳系以外的唯一物质样品,包括原子核、电子、光子和中微子,以及其它目前尚未被探测到的未知粒子,它们主要来自宇宙空间中的宇宙线源或者是宇宙线在传播时与空间物质相互作用的产物.在现代物理学发展史中,宇宙线的研究占有重要地位,许多新粒子都是首先在宇宙线研究中发现的,且目前人类已知的最高能量的粒子也来自于宇宙线的观测.作为联系微观粒子和宏观宇宙的桥梁,宇宙线研究既对粒子物理也对天体物理做出了重要贡献.本文重点梳理了在宇宙线研究过程中,荣获的诺贝尔物理学奖,详细介绍了其实验原理、实验仪器和实验成果.

宇宙线“膝区”物理简介及国内观测研究进展

宇宙线发现100年来极大地推动了粒子物理学、天体物理学的发展,然而其起源、加速和传播的问题依然是宇宙线研究的三个根本问题。宇宙线"膝区"物理的研究是解决宇宙线这些基本问题的途径之一。简要回顾了宇宙线研究的历史和能谱特点;重点阐述了宇宙线"膝区"的实验观测数据以及重要实验组测量的差异和争论的焦点;归纳讨论了解释宇宙线"膝区"成因的四种主要理论模型,并结合最新实验数据说明了第四种成因(新物理过程)的可能性不大;叙述了国内研究者对宇宙线"膝区"物理研究的贡献;最后对宇宙线"膝区"物理研究的前景进行了展望。

宇宙线大尺度各向异性的分析方法

模拟研究了2种基于等天顶角方法的全天区扫描方法.一种是已经应用于全天区搜寻γ源的传统普通等天顶角方法,一种是基于等天顶角方法的χ2拟合方法.从模拟结果看,二者之间存在着不可忽视的差异,前一种方法在分析存在大尺度各向异性的宇宙线样本时不能正确反映各向异性的真实现象,而后一种方法分析结果能够正确反映真实物理现象,但是由于受到构造χ2方程的限制使得分析全天区宇宙线分布时在时间尺度上受到限制(视实验探测器数据统计量大小而定).最后,对比了这2种方法各自的优缺点.

宇宙线热中子探测器的科学目标及初步成果

文章介绍了一种新型的宇宙线探测器--热中子探测器,按照核物理理论,它可以从广延大气簇射的强子级联角度来进行宇宙线"膝"区分成分能谱的测量,有望破解宇宙线"膝"区形成机制。为了检验宇宙线热中子探测器在高海拔地区运行稳定情况,并且验证其探测能力,在西藏大学和羊八井宇宙线观测站对该探测器进行预先研究。结果显示,状态良好,运行稳定。同时,该探测器还可以以单粒子模式运行,开展太阳物理和地球物理的相关研究。

中日合作西藏ASγ实验首次发现100TeV以上能量宇宙γ射线辐射

2019年7月中日合作西藏ASγ实验宣布发现来自蟹状星云方向能量高于100TeV(100万亿电子伏特)的宇宙γ射线辐射,这是人类首次观测到能量大于100 TeV的宇宙γ射线辐射。文章首先回顾了西藏ASγ实验在甚高能及以上能区宇宙γ射线探测所做的长期努力,介绍了这一发现背后西藏ASγ实验地面阵列进行的重大升级改造和主要观测结果,并对100TeV以上能量宇宙γ射线辐射观测结果重要意义作了分析讨论。

广角透镜技术在宇宙线探测领域的探索与应用

广角透镜技术采用透镜代替传统的反射镜,可以有效实现兼顾大视场、高角分辨、高能量分辨等优点,是测探时变源和GRBs等产生高能宇宙线辐射最理想的手段之一。文章介绍广角透镜技术原理,并简要分析广角透镜优缺点。在此基础上,对采用广角透镜技术进行宇宙射线探测的GAW实验、JEM-EUSO实验和西藏大学水透镜实验进展做介绍。

认识和探测宇宙的基本方法介绍

人类对宇宙最早的认识和观测始于可见光,之后由于有1865年麦克斯韦对电磁波的预言,1887年赫兹的证实,以及1933年杨斯基发现银河系的射电辐射,可见光观测自此扩展到电磁波多波段观测,出现了多波段天文学。1912年,赫斯发现宇宙线,使得天文观测在电磁波观测之外多了一种手段,拉开了多信使天文学的序幕。1987年,戴维斯和小柴昌俊发现了来自超新星爆发的中微子信号,这也是人类首次探测到了来自宇宙的中微子,至此又多了一种认识和观测宇宙的信使。此后,2016年美国激光干涉引力波观测站LIGO探测到引力波,在补齐对于验证爱因斯坦广义相对论的最后一块拼图的同时,也使得引力波成为多信使天文学中最新引入的一种信使。本文介绍了电磁波、宇宙线、中微子、引力波这四种信使的基本概念、发现历史以及探测宇宙的基本原理,对其代表性的实验进行了收集整理,并就其中的一个典型实验进行了简要介绍。期望能够就多波段多信使天文学的发展历程给出一个比较完整的描摹。

西藏羊八井中日合作ASγ实验进展与前景展望

文章简要介绍了西藏羊八井中日合作ASγ实验及发展历史,重点概述了该实验自1990年稳定运行以来取得的重要成果,对正在进行的实验升级计划进行了较为详细的介绍,展望了升级后的实验在宇宙线和甚高能γ天文领域中的前景。

中意合作西藏羊八井ARGO-YBJ实验成果概览

文章简要介绍了中意合作西藏羊八井ARGO-YBJ宇宙线观测实验的物理目标和探测原理,重点概述了ARGO-YBJ阵列自2007年稳定运行以来在宇宙线实验观测中取得的重要成果,如甚高能γ点源、大尺度各向异性、宇宙线月亮阴影效应和全粒子谱等。

将科学研究融入大学物理教学的探讨--以宇宙射线研究为例

科学研究与教学工作相辅相成,互相促进,文中我们依托宇宙线教育部重点实验室,结合多年来从事大学物理教学工作及西藏宇宙射线实验研究的经验,将大学物理中的粒子作用、光电效应、康普顿散射与宇宙射线科学研究的相关知识进行了融合。虽然目前宇宙射线并未全面进入教育视野,但宇宙射线研究是物理界非常重要的一项课题,为人类认识粒子及宇宙起着非常重要的作用。如果将两者有机融合,既能激发学生学习大学物理的兴趣,为大学物理教学打开新窗口与对接接口,又可以同时宣传宇宙射线知识,使大学本科生了解宇宙射线,为拔尖学生的培养开创新的渠道。

推动“西藏大学天文教育”发展的刍议

文章简要介绍了我国天文人才严重缺乏的现状,重点阐述了西藏大学开展天文教育的重要性、必要性和可行性,细致讨论了西藏大学开展天文教育的具体步骤。

HADAR实验对Fermi-LAT伽马射线源观测的预期研究

高海拔天体辐射探测(high altitude detection of astronomical radiation,HADAR)实验是一个新型的采用纯水作为介质的大气切伦科夫望远镜实验阵列,其采用大口径半球型透镜来收集大气切伦科夫光,以实现对10 GeV—10 TeV能量段的伽马射线和宇宙线的探测.HADAR具有低阈能、高灵敏度和传统成像大气切伦科夫望远镜所不具备的大视场优势,可以对天区进行连续扫描观测,因此将成为全天伽马源的理想观测仪器和爆发源、时变源的理想搜寻探测器.本文基于Fermi-LAT的最新伽马射线源表,详细研究了HADAR实验对这些源的观测能力.对银河系外的源,将这些源的能谱加入河外背景光吸收效应外推至甚高能段.通过对这些源的显著性进行模拟研究,结果显示HADAR运行一年预期有93个伽马射线源以大于5倍的显著性标准偏差被观测到,其中包括45个银河系内的源,39个银河系外的源,3个未知类型的源和6个未关联类型的源.

西藏阿里地区开展地面原初引力波探测实验的机遇与挑战

原初引力波是宇宙暴胀理论的预言之一,直接探测到原初引力波信号是宇宙暴胀理论最强有力的验证,有望揭示宇宙起源之谜。原初引力波至今没有被实验探测到,探测原初引力波最好的方式是精确测量宇宙微波背景辐射(CMB)极化。目前,南极极点和智利阿塔卡马沙漠已有地面CMB极化实验,但北半球仍为空白。已有研究表明,西藏阿里天文台是目前北半球已知的最佳观测CMB的台址。2016年中国科学院启动中美合作"阿里原初引力波探测实验"项目——阿里计划,该项目由中国科学院高能物理研究所牵头,国家天文台、西藏大学等科研机构参与,计划在北半球率先开展地面原初引力波观测实验,可与南半球台址已建成的实验互补和相互印证。阿里原初引力波探测实验一期预计于2020年建成,将是国际上海拔最高的原初引力波观测站,与南极极点、智利阿塔卡马一起为国际原初引力波观测的三大基地。

HADAR实验对活动星系核伽马射线辐射观测的预期研究

HADAR(High Altitude Detection of Astronomical Radiation)是一个基于大气切伦科夫成像技术的地面望远镜阵列,其采用大口径折射式水透镜系统来收集大气切伦科夫光,以实现对10 GeV—10 TeV能量段的伽马射线和宇宙线的探测.HADAR具有低阈能和大视场的优势,因此可以对天区进行连续扫描和观测,在观测活动星系核(Active Galactic Nuclei,AGN)等银河系外伽马射线源方面具有明显优势.本文研究了HADAR实验对AGN的探测能力.基于费米望远镜(Fermi Large Area Telescope,Fermi-LAT)的AGN源能谱信息,将观测能量外推至甚高能能段,同时加入河外背景光的吸收效应,以计算HADAR对AGN源观测的统计显著性.研究结果显示,HADAR运行一年时间,预计将有31个Fermi-LAT AGN源以高于5倍显著性被观测到,其中大部分为蝎虎状天体类型.

“中国天眼”的优势及其重点巡天项目

宇宙中的天体以各种各样的形式向天空中发射电磁波,携带天体物理信息的电磁波可被建造于地面或空间的望远镜以观测数据的形式接收,并用于科学研究。其中,射电波段(30MHz~300GHz)的观测在探测电离气体、中性原子氢、冷气体、尘埃等领域都发挥重要作用。宇宙微波背景辐射、脉冲星、星际有机分子、类星体等著名天文发现与射电天文技术的发展密不可分。射电望远镜所能达到的观测灵敏度和空间分辨率与望远镜的口径直接相关。望远镜的口径越大,其灵敏度和分辨率越高。因此,要想获取天体更暗弱更细致的结构.

Geminga TeV晕周围星际介质的湍动特性

空间功率谱分析是研究星际介质湍动特性的常用方法。以此方法利用GALFA HI巡天数据分析Geminga附近一块中性氢云的湍动特性,其21 cm谱线积分亮温度图的空间功率谱符合幂律分布,谱指数为-4.0±0.1。与银河系内本地星际介质的功率谱(谱指数大于-3.0)相比,该云的功率谱较陡。分析陡谱的成因,排除了中性氢云在视线方向所取的速度宽度不足、云周围存在垂直于视线方向的有序磁场、能量传递过程中有损失等因素的影响。这个结果暗示Geminga周围可能存在一个区域,其内部湍动特性与银河系其他区域的湍动特性不同,进而导致了Geminga TeV晕中较低的扩散系数。

常见的恒星质量和恒星形成率计算方法之间的对比

针对斯隆数字巡天计划中有测光及光谱认证的正常星系的样本,利用天文多波段巡天数据,分别使用恒星质量和恒星形成率(SFR)的数种不同计算方法,从原理到结果进行相互对比。研究发现,不同的恒星质量估算方法的结果相互差异并不显著,然而SFR的不同方法之间存在不同程度且重要的误差。因此,在对星系间SFR进行相互比较,或是研究星系演化时的SFR分析时,应使用相类似的观测数据资料,以及同一种SFR估算方式,避免不同估算方式的偏差造成的错误解读。

星暴矮星系NGC 5253周围的中性氢气体分布

中性氢(HI)气体是恒星形成的基本物质,驱动着星系的演化。对于星暴矮星系NGC 5253,过去的研究利用射电干涉阵观测到的HI气体呈不对称分布,向东北方向延伸约7 kpc。这一延展结构可能表明NGC 5253与其附近的旋涡星系M 83之间存在动力学联系。为研究这两个星系之间可能存在的HI气体连接,从绿岸望远镜获得了射电L波段对NGC 5253周围的HI成图数据,探测到NGC 5253和M 83之间可能存在的7个HI气体云团。这些HI气体云团候选体主要分布在东北方向,由NGC 5253延展至距离超过60 kpc外。这些气体云团可能在触发矮星系NGC 5253剧烈的恒星形成活动中发挥重要作用。

西藏羊八井观测站夜天光监测

夜天光亮度监测对专业天文台是一项重要的、基础性的工作,为天文观测提供重要的参考,同时为衡量现代城市光污染程度评估提供依据.已有研究表明,拉萨及周边地区具有得天独厚的天文观测条件,加之工业化程度低,大气污染较轻,在大气视宁度、大气透明度等指标方面优于中国大部分地区.采用2015年9月在西藏拉萨市羊八井国际宇宙线观测站和西藏大学新校区安装的2台SQM-LE型夜天光监测仪长期监测这2个区域的夜天光背景,初步分析了羊八井观测站1a(2015.12-2016.11)的夜天光监测结果,给出了羊八井观测站晴朗有月夜、晴朗无月夜的夜天光亮度水平,并总结了夜天光亮度的日变化、晴朗无月夜月变化情况.