宇宙线初步知识与伽玛天文

EGRET主要贡献
1.
能量30MeV-30GeV之间，发现271个 源，其中170个未找到对应体的不明源
EGRET主要贡献
2、给出宇宙线银河起源的证据 3、给出第一张弥散伽玛射线的辐射天图反映了 宇宙线与星际介质和光子背景的相互作用
EGRET主要贡献
4、证认了BLAZARS是一种能够产生大 量射线的活动星系核（AGN） 5、做出了宇宙线各向同性的比较准确 的测量
Open questions :
宇宙射线是怎样产生的？ 它的产生机制是什么？ 什么过程把它们加速到如 此高的能量的？

寻找宇宙线源
回答问题的关 键；破解宇宙 线起源乊谜的 主要途径。


超新星爆发？ 高速旋转的中子星？ 活动星系核？
为什么宇宙线能谱拐折？


膝区 踝区 趾区？
GZK截断？
实验的主要目的寻找宇宙线源
宇宙线能量与宇宙线的流量
能量 1010 eV ( 10 GeV) 流量 1000 个粒子m-2.s-1
1012 eV (1 TeV )
1016 eV (10 PeV ) 1019 eV (10 EeV )
1 个粒子m-2.s-1
1 个粒子m-2.year-1 1 个粒子km-2.year-1
费米加速机制
广延大气簇射的纵向发展
宇宙线进入大气层，与空气 核相互作用产生大量次级粒 子 地面探测器通过探测次级粒 子的效应来推断原初宇宙线 的特性

次级粒子数目与原初能量相关 次级粒子到达的时间反映原初 粒子的方向 簇射中子的比率与原初粒子 的类型（质子、核子、光子） 相关
羊八井
原初成分产生的次级粒子随大气深度的发展
带电粒子（主要是质子、核子和电子） 受到星际介质、行星际磁场，太阳风磁 场，地球磁层的调制和偏转，失去了产 生地的方向信息。 以中性稳定粒子流（,中微子）为探针， 是我们研究宇宙线起源，加速机制和传 播过程的主要手段。
宇宙射线伽玛天文
对光子全波段范围的观测对于全面了解 星体演化和宇宙线的起源有重要意义。 不同能区的光子对应不同的物理过程， 而且有不同的观测手段。
YBJ Observatory
宇宙线研究的初步知识
宇宙线物理
交叉于多种学科
天文学和高能天体物理
粒子物理与核物理
空间物理
大气环境等
问题：
什么是宇宙线？ 宇宙线物理要解决的问 题是什么？ 探测宇宙射线的手段有 哪些？
宇宙线的发现
20世纪物理学的伟大发现之一。 1912年，德国科学家韦克多· 汉 斯（ Victor Hess ） 带着电离室 在乘气球升空测定空气电离度的 实验中，发现电离室内的电流随 海拔升高而变大，从而认定电流 是来自地球以外的一种穿透性极 强的射线所引起的，后来有人为 之取名为“宇宙射线”。
宇宙线物理是实验的科学
宇宙线物理以实验为基础， 而又基于实验和理论密切结 合发展的。
宇宙线能谱特点
实验观测到宇宑线强度的 负幂变化：
• < 109eV 受太阳活动调制
•负幂指数 ~2.7 •1015~1016 eV能谱拐折— “膝区” •1018~1019 eV能谱拐折— “踝区” •观测到粒子的最高能量 ~1020eV
CHACALTAYA观测站址 (玻利维亚) 16°S 5200m a.s.l. 远景
近景
地势,生活,能源
气候,交通
夏季 日本乘鞍山
观测站,
2770m
冬季
地势平坦
中国羊八井宇宙线观测站
30°11’ N, 4300m a.s.l.
牧人为邻
地热能源
羊八井宇宙线观测 站周围环境
Telecom Station
地面宇宙线实验观测
面积不受限制 收集时间不受限制 张角接近2立体角 问题：
1.
2.
3.
大气层的存在，不能 直接探测 本底复杂 受气候环境的影响
广延大气簇射（EAS）Extensive Air Shower
地面实验对高能宇宙 线间接测量。 高能宇宙线粒子进入 大气层，与大气层中 的空气中的原子核发 生多次核作用，形成 级联簇射，从而产生 大量次级粒子的过程。 级联：电磁级联，强 子级联和混合级联
1949年Fermi提出宇宙线粒 子在与星际磁场的碰撞过程 中能够获得能量，得到加速。 Fermi加速机制对于宇宙线 能谱给出很好的解释。
宇宙线研究
历史：
现今：
孕育和创生了粒子物理学， 促成了加速器物理的发展。 伽玛天文和中微子探测窗口的打开更 向天体粒子物理方向探索
宇宙线研究的几大热门
源、暴 中微子物理（2002年诺贝尔奖） 反物质与暗物质 “膝区物理” 极高能物理
HESS实验介绍
大气契仑柯夫成像望远镜实验 位于纳米比亚 多国合作（德、法、英、捷克、波兰、爱 尔兰、纳米比亚、亚米尼亚、南非等）
2004年9月顺利完成一期阵列工程
Hess 成果（截至到2006年）
不到三年的时间公开发表在国际有影响的著名 刊物上的文章为29篇（其中不算国际会议文章） 其中Nature 上发表3篇 science上发表2篇 其成果在2005年印度召开的国际宇宙线会议上 引起不小的轰动。
能量分辨好
空 间 实 验 的 不 足
有效面积小 探测时间受到局限 造价高
探测的能量较低、范围窄
探测高能宇宙线对实验仪器的要求
探测器有效面积大 张角大（open angle） 收集时间长 比如：最高能粒子是1019eV，大约1 个粒子km2· 单位立体角· 年！
我们必须采用地面探测器！
探测器要做大！
东京大学宇宙线研究所 宏前大学 宇都宫大学 琦玉大学 神奈川大学 国立横滨大学 湘南理工学院 名古屋大学 甲南大学 东京航空工程学院 国立信息研究所 早稻田大学 32人
羊八井AS实验
二十世纪60年代前开创粒子物理学， 当前，>1015eV的粒子物理及相互作用极端朝前区和某些特异现 象的探索性研究
宇宙线天文和天体物理
基于粒子物理和核物理的知识和探测手段研究上述宇观课题
核心问题是：宇宙线之起源
研究宇宙线物理意义
长途跋涉的空间旅行，带来空间的许多信息是 人类研究空间环境的参照 来自遥远的的银河系或者以外，是我们目前了 解太阳系以外的唯一物质参考 宇宙线活动的强弱直接影响到人类赖以生存的 空间环境 对于人类的航天事业的发展有重大的影响 二十世纪30至50年代，作为当时唯一可利用的 高能粒子源，在宇宙线中相继发现了一系列基 本粒子，推动了早期粒子物理学和高能加速器 的发展。
Clinic Post Office
Town Hospital
Bank Elementary School
Living Area of Power Plant
Boosting Station
YBJ Town
地热电厂
A: YBJ telecom station B, C: YBJ post office
China-Japan Collaboration
AS-Gamma Experiment 物理目标：
寻找宇宙线源（伽玛源）； 超高能的宇宙线成分能谱—破解“膝 区物理”难题；
用宇宙线的强度变化监测太阳活动和 地球环境变化。
参加中日ASγ实验合作单位
日方
中方（发言人 胡洪波）
中科院高能物理所 中科院空间中心 西藏大学 西南交通大学 云南大学 山东大学 河北师范大学 38人
IACT(大气 Cherenkov 成像望远镜）实验
WHIPPLE， CANGROO，MAGIC，VERITAS，CAT， HESS，。。。
AGASA
AGASA covers an area of about 100 km2 and consists of 111 detectors on the ground
共计发现（探测到）TeV能区gamma射线源25 个，并且还在不断更新
羊八井AS实验
中意合作ARGO实验
形状：中心约7478m2全覆
盖，外围有一圈的“保护圈”
•为什么来这里？ •中日AS-GAMMA实验取得了哪些成果？ •中意ARGO实验的前景是什么？
为何来此？
高海拔（４３００米）的优势蕴藏着物 理的优越 羊八井得天独厚的地理位臵把优越性发 挥到极致（地形，气候，生活，能源， 交通，友邻等） 利用这些条件作别人做不了的科研工作
宇宙线是什么？
宇宙线是自动送上门来的宇宙空间的高能 粒子流。 宇宙线主要是由质子、氦核、铁核等裸原 子核组成的高能粒子流；也含有少量中性 的珈玛射线和能穿过地球的中微子流。 （不同能段成分的构成比例不相同） 产生于太阳系的宇宙线，称为太阳宇宙线； 与之相对应还有银河宇宙线和河外宇宙线。
既是粒子的又是宇宙的
Milagro
•Multiple Institution Los Alamos Gamma Ray Observatory 坐落在新墨西哥， 采用Water Cherenkov Telescope技术，它 为80m×60m ×8m 的水池子
CANGROO 实验
CANGAROO
Collaboration of Australia and Nippon (Japan) for a GAmma Ray Observatory in the Outback,国际合作， 利用成像 Cherenkov 望远镜阵列研究VHE （甚高能）GAMMA天 文的位置在Woomera, Australia.
GLAST的挑战
未来GLAST对天文贡献的期待


2007年发射 目标：寻找河外Blazer，证认 EGRET不明源，高能暴的探测， 寻找暗物质等
GLAST
•能量范围20MeV300GeV •面积7倍于EGRET •灵敏度15倍好于 EGRET
空 间 实 验 的 优 势
直接 本底干净 灵敏度高 角分辨能力强
广延大气簇射横向分布
横向分布 其它效应
Cherenkov光 大气荧光
簇射中的粒子与大气原子的电子相互作用造成负 电荷超出，负电荷运动
无线电波
地磁场引起正负电荷粒子的分离形成横向电偶极 子，电偶极子运动
目前世界上著名的地面宇宙线实验
EAS（广延大气簇射）阵列实验
AGASA、 MILAGRO、 TIBET AS 、ARGO-YBJ，CASAMIA，HEGRA， 。。。
1912年，由Victor Hess 发现来自宇宙空间 的高能粒子流。1936年获诺贝尔奖
宇宙线带电？
美国物理学家密立根认为宇宙线是由不 带电的光子组成。密立根认为，在宇宙 中，16个氢原子聚合成了个氧原子时， 生成光子，产生宇宙射线。他还把宇宙 线叫做原子“诞生时的哭叫”。
宇宙线带电？
另一位美国物理学家康普顿认为宇宙线是由带电 粒子组成。康普顿等人发现宇宙线存在“纬度效 应”，宇宙线强度随地球的纬度不同而不同，这 一结论是由康普顿亲自走访了6个国家和60多位科 学家分别进行观测而获得的。 1932年，康普顿亲自走访了五大洲，行程约为八 万公里，南到新西兰的杜恩庭，北到北极圈；上 至高山顶峰，下至海平面进行测量。同年9月，康 普顿在北极圈内宣告宇宙线确实存在“纬度效 应”，并肯定了它是由带电粒子组成。
30年代 50年代 人们把这种宇宙线粒子加速器无偿提供的高能 粒子流作为“粒子炮弹“去轰开基本粒子世界的 大门，促成了粒子物理学和高能人工加速器的发 展。相继在宇宙线中发现了：
基本 粒子 发现 时间 实验 方法 主要 学者 e&# dermeyer 介子 1947 核乳胶 C.F.Powell 介子 1948 核乳胶 G.D. Rochester 1951 云室 1952 云室 1953 核乳胶
宇宙线同时具有微观和宇观双重属性:
它既可以作为探索粒子物理世界和研究宇观环境下的高能现象的工具 又是源源不断来自宇宙远方的物质样品，携带着其产生地和宇宙空间乃至 太阳系和地球的空间环境等的丰富的信息，联系于：
宇宙的形成、星体的演化、空间的环境 太阳风和地磁场，宇宙中的高能现象 宇宙线研究可分为： 宇宙线粒子物理
更多的反应的是原子分子尺 度的情况，波动性
对应的是韧致辐射和逆康普顿散射，以及核 相互作用，强相互作用，体现粒子特点
空间实验直接探测
天文的EGRET时代
美国宇航局NASA发射CGRO卫星1991年4月5日发射升空，标 志着人类对天文的研究揭开了新的一页。（1991-1999）
EGRET （CGRO）