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新模型或解释宇宙线能谱问题

  宇宙射线光谱问题的新模型或解释

  维克多·希斯在1912年发现了宇宙射线的存在,但是近一百年后,宇宙射线的起源至今仍是一个谜。宇宙射线能量谱在宽范围能量范围内具有指数近似-3的幂律分布(dN / dE〜ES),约为4PeV,宇宙射线光谱指数S从-2.7变为-3.1,看起来像是一个人的膝盖,它是称为宇宙射线“膝盖”。
\\ u0026>由于库利科夫和克里斯蒂安森于1958年发现了膝盖,它的起源已经成为宇宙射线研究的又一经典问题。对“膝盖”的解释包括:银河系宇宙射线源在膝盖以上加速的能力有限,银河系宇宙射线超出膝盖能量,宇宙射线和膝盖以上媒体,光子和中微子逃逸的可能性更大发生等等。然而,这些模型预计宇宙射线能量在“膝”区域的能量下降得太快,为了与测量宇宙射线能量数据一致,必须要求另一个额外的宇宙射线成分,即被称为所谓的“B组件”问题。
\\ u0026>最近,膝盖区域能量附近的宇宙射线能谱的测量越来越精确,甚至测量了“膝”区的精细结构。特别是羊八井宇宙线天文台日中合作进行的ASγ实验结果表明,膝关节屈曲非常快,其他实验也报道了类似的测量结果,如KASCADE,Aragats-GAMMA,Yakutsk和MAKET-ANI实验。 Erlykin和Wolfendale的分析表明,除了“膝”区域的尖锐结构之外,在“膝”附近的宇宙射线谱上还有几个小水泡,称为精细结构。中科院高能物理研究所粒子天体物理实验室羊八井组的研究人员ATIC,PAMELA,HESS和Fermi提出了一个新的模型,试图同时解决问题的“膝”区域,这个模型表明,由于加速源区的轻核相互作用,产生正负电子对(pγ→pe + e-)宇宙射线加速器,背景光子密度很高,高能宇宙射线将不可避免地与背景光相互作用;对于约1eV可见光的能量,当宇宙射线能量达到1PeV,发生了正负电子对的反应,这正好对应于“膝”区的能量;当相互作用发生时,高能宇宙射线粒子失去了部分自身能量,使宇宙射线能谱下降得更快,在能量产生前后出现了两个不同的能谱指数,这正好说明了宇宙射线“膝盖。”同时,产生的正负电子对也可以解释最近观察到的正负电子过剩。
\\ u0026>对相互作用过程的详细模拟进一步表明,临界能量附近的累积效应可以很好地解释宇宙射线谱中尖锐的“拐点”。更有意思的是,这种相互作用模型的“膝”区域的精细结构也可以由于不同宇宙射线成分中电子产生的不同阈值能量而再生。最后,对于能量高于阈值的宇宙射线粒子来说,电子对相互作用的减弱自然可以解释银河宇宙线的所谓“B分量”问题。
\\ u0026>这个模型可以解释在宇宙射线领域长期困扰人们的两个重要的物理问题:(1)宇宙射线的加速源,对宇宙射线加速器的性质有着极大的限制,所以我们更进一步理解源头。 (2)宇宙射线能谱的“膝”,包括“膝”区的尖锐能谱,“膝区”的精细结构等。此外,这个模型也是第一次将“膝”与正电子电子偏移相关联,这也是非常有意义的。
\\ u0026>该研究分别发表在“天体物理学报”和“中国科学”杂志上。被中国科学新闻编辑选中,由美国科学促进会主办,由美国科学促进会主办,在EurekAalert网站上发布为科学新闻,并将作为科学通报的研究更新。 (来源:中国科学院高能物理研究所)

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