論文的主要內(nèi)容包括兩部分:1.LHAASO-WCDA實(shí)驗(yàn)高能GRB的年探測(cè)率預(yù)期及尋找;2.銀河宇宙線的空間依賴傳播研究。伽瑪射線暴(GRBs)是宇宙大爆炸以來(lái)最劇烈的爆發(fā)現(xiàn)象,可以作為高紅移探針對(duì)宇宙學(xué)進(jìn)行研究,特別是對(duì)GRB GeV輻射的觀測(cè)已經(jīng)有了很多應(yīng)用,例如測(cè)量河外背景光,嚴(yán)格限制洛倫茲不變性破缺效應(yīng)等。目前大多數(shù)的GRB都是通過(guò)空間衛(wèi)星實(shí)驗(yàn)直接觀測(cè)到的,由于它們的有效面積較小、觀測(cè)時(shí)間有限,很難觀測(cè)到百GeV能區(qū)GRBs的伽瑪輻射。而地面陣列實(shí)驗(yàn)具有大有效面積、低閾能、大視場(chǎng)及全天候觀測(cè)的特點(diǎn),通過(guò)對(duì)來(lái)自GRB方向的伽瑪射線粒子經(jīng)過(guò)廣延大氣簇射后產(chǎn)生的次級(jí)粒子進(jìn)行方向、能量、芯位重建,間接推測(cè)出原初伽瑪射線粒子的相關(guān)信息,在探測(cè)高能GRB方面具有相當(dāng)大優(yōu)勢(shì)。WCDA實(shí)驗(yàn),作為L(zhǎng)HAASO實(shí)驗(yàn)的一個(gè)重要組成部分,將有潛力探測(cè)到百GeV能區(qū)的GRBs,為GRB的理論研究提供數(shù)據(jù)支持。我們通過(guò)一種參數(shù)化模擬的方法對(duì)WCDA實(shí)驗(yàn)高能GRB的年探測(cè)率進(jìn)行了研究,首先,根據(jù)Fermi實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到的GRBs能譜和紅移分布進(jìn)行抽樣,得到一個(gè)GRB樣本;其次,將GRB的能譜外推到高能,并考慮EBL(Extragalactic Background Light)吸收及WCDA的有效面積,可以得到樣本中每個(gè)GRB的所有參數(shù)信息;最后,假定額外高能成分占總光度的10%,通過(guò)分析得到WCDA實(shí)驗(yàn)平均一年可以探測(cè)到一個(gè)高能GRB。上面從理論的角度預(yù)期了 WCDA實(shí)驗(yàn)高能GRB的年探測(cè)率,接下來(lái),我們基于WCDA實(shí)驗(yàn)尋找這些高能GRBs。由于數(shù)據(jù)質(zhì)量的好壞直接影響尋找高能GRB的結(jié)果,我們首先對(duì)WCDA實(shí)驗(yàn)(1號(hào)水池)單粒子模式數(shù)據(jù)的計(jì)數(shù)率、陽(yáng)極和打拿極電荷量、單路計(jì)數(shù)譜中三峰的峰位隨時(shí)間變化進(jìn)行了長(zhǎng)期監(jiān)測(cè),發(fā)現(xiàn)這些量基本穩(wěn)定不變,說(shuō)明我們的探測(cè)器長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定,收集的數(shù)據(jù)質(zhì)量良好。在此基礎(chǔ)上,我們挑選出2019年6月至11月期間位于WCDA視場(chǎng)內(nèi)、天頂角小于40°及fluence大于1 × 10-6 erg.cm-2的GRBs,根據(jù)空間衛(wèi)星實(shí)驗(yàn)提供的位置預(yù)警信息,利用等天頂角法分析了它們的顯著性,從二維天圖的結(jié)果看顯著性均小于5,并未發(fā)現(xiàn)明顯的信號(hào)超出。然后,利用Helene近似法對(duì)這些GRBs的流強(qiáng)上限進(jìn)行了估計(jì)。迄今為止,宇宙線的起源、加速及傳播問題仍然是未解之謎。標(biāo)準(zhǔn)傳播模型能夠成功地解釋觀測(cè)到的宇宙線核子的冪律能譜,次級(jí)與初級(jí)粒子比以及彌散伽瑪射線的分布等,但隨著探測(cè)儀器精度的提高,觀測(cè)到的宇宙線能譜和大尺度各向異性逐漸向高能延伸、結(jié)構(gòu)也越來(lái)越復(fù)雜,比如:宇宙線核子的能譜在～200 GV以上變硬繼而在10 TV左右變軟,PeV能量附近全粒子譜的膝區(qū)以及大尺度各向異性幅度、相位演化在100 TeV左右的翻轉(zhuǎn)等。這些新的觀測(cè)結(jié)果給傳統(tǒng)傳播模型帶來(lái)了挑戰(zhàn)。我們基于空間依賴+鄰近源模型研究了宇宙線不同成分的能譜及各向異性,發(fā)現(xiàn)模型預(yù)期結(jié)果可以同時(shí)很好地解釋宇宙線不同核子能譜的復(fù)雜結(jié)構(gòu)及各向異性幅度、相位在100 TeV左右的翻轉(zhuǎn),暗示著兩者可能存在共同的起源。之后,我們還研究了各向異性對(duì)太陽(yáng)垂直位置的依賴,通過(guò)分析各向異性垂直分量與徑向分量比值隨銀河系外暈厚度、內(nèi)暈厚度、銀盤厚度及太陽(yáng)位置垂直分量大小的變化關(guān)系,發(fā)現(xiàn)適當(dāng)增大內(nèi)暈厚度可以有效抑制垂直分量對(duì)總的各向異性貢獻(xiàn),使各向異性的預(yù)期結(jié)果能夠更好地?cái)M合觀測(cè),這說(shuō)明我們的模型中內(nèi)暈很厚。此外,根據(jù)各向異性模型預(yù)期結(jié)果對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合好壞,還可以確定太陽(yáng)在銀盤上的位置。針對(duì)宇宙線可能的反常擴(kuò)散行為,我們也研究了一維反常擴(kuò)散-分形布朗運(yùn)動(dòng)-的基本性質(zhì)。
【學(xué)位單位】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2020
【中圖分類】：P172.4
【部分圖文】：

０００秒，輻射的光子能段主要在０．１－１００?ＭｅＶ之間，典??型光子的流量范圍０．０１－１００?ｃ／ｒＴｈ－１。上個(gè)世紀(jì)６０年代，美國(guó)發(fā)射的軍用衛(wèi)星??Ｖｅｌａ在監(jiān)測(cè)蘇聯(lián)核試驗(yàn)確保禁止核試驗(yàn)條約實(shí)施的同時(shí)，頻繁的探測(cè)到高能光??子的爆發(fā)現(xiàn)象，這些信號(hào)后來(lái)被證實(shí)不是來(lái)自地面核試驗(yàn)，也不是來(lái)自月亮和地??球，而是來(lái)自宇宙空間。幾年后，Ｋｌｅｂｅｓａｄｅｌ等人ｍ對(duì)其進(jìn)行了報(bào)道，并很快得??到蘇聯(lián)Ｋｏｎｕｓ衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)的證實(shí)［２］。一種神秘的高能現(xiàn)象－伽瑪射線暴就這樣??被意外的發(fā)現(xiàn)了，如圖１．１。??Ｍｙｉｒ?Ｌ?：??－４?－２?０?２?４?６?８??Ｔｉｍｅ?（ｓｅｃｏｎｄｓ）??圖１．１?Ｖｅｌａ衛(wèi)星（左）和１９６７年７月２號(hào)Ｖｅｌａ衛(wèi)星探測(cè)到的第一個(gè)ＧＲＢ的光變曲線｜３｜（右）。??事實(shí)上，許多天體物理學(xué)家在ＧＲＢ被發(fā)現(xiàn)之前就從理論上預(yù)言了宇宙中可??能的伽瑪射線發(fā)射源。Ｃｏｌｇａｔｅ認(rèn)為核心塌縮型超新星在激波爆發(fā)時(shí)沖出星體會(huì)??產(chǎn)生伽瑪射線暴［４１，而Ｈａｗｋｉｎｇ認(rèn)為原初黑洞在蒸發(fā)過(guò)程中可以產(chǎn)生伽瑪射線??暴［５】。自ＧＲＢ被發(fā)現(xiàn)后，用來(lái)研宄它的理論模型如雨后春筍般大量涌現(xiàn)，短短一??年多的時(shí)間，理論天體物理學(xué)家就提出了?３０多個(gè)不同的伽瑪暴模型，超過(guò)了當(dāng)??時(shí)觀測(cè)到的伽瑪暴總數(shù)［６］，火球模型也在當(dāng)時(shí)被提了出來(lái)［７＿９］。由于當(dāng)時(shí)衛(wèi)星的??定位精度不夠，無(wú)法在短短幾十秒內(nèi)對(duì)伽瑪暴進(jìn)行準(zhǔn)確定位，因此無(wú)法測(cè)量出伽??瑪暴的距離，進(jìn)而無(wú)法對(duì)眾多理論模型進(jìn)行排除得到最正確的一個(gè)。后來(lái)，理論??天體物理學(xué)家基于伽瑪暴具有不同距離尺度的假設(shè)對(duì)其模型進(jìn)行了研宄，第一??種是銀河系尺度，即伽瑪暴起源于銀河系，相

?第Ｉ章ＧＲＢ理論及觀測(cè)???２７０４?ＢＡＴＳＥ?Ｇａｍｍａ－Ｒａｙ?Ｂｕｒｓｔｓ?＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿??＿１國(guó)??？９０??，＜＊）?＿?ＳＦＲ?（Ｍｏｃｔａｕ?？ｔ?ｏｌ．?１０４８）?＼?ＸＸ－．??■ＨＨＨＱＨ?一?一?以丨）■牙阿…叫從＊?？＊?〇？－，９９Ｓ）??－１＿２?〇?２??Ｆｌｕｅｒｃｅ．５０－３００ｋｅＶ（ｅｒｇｓｃｍ＂２）?？〇ｇ．〇?ｐ?＜ｐ＾?ｃｍ－２?ｓ￣＊?５０?—?３００?ｋ〇ｖ）??圖１．２左圖為ＣＧＲＯ／ＢＡＴＳＥ衛(wèi)星觀測(cè)到的２７０４個(gè)伽瑪暴在天球上的空間分布；右圖粗實(shí)??線為觀測(cè)到的伽瑪暴峰值流量的累積分布，點(diǎn)直線為歐幾里德空間中伽瑪暴峰值流??量的累積分布１１８１。??標(biāo)從最短的幾毫秒到最長(zhǎng)的幾千秒都有，由于光變曲線的復(fù)雜性使其持續(xù)時(shí)標(biāo)??具有較大不確定性，普遍有兩種對(duì)持續(xù)時(shí)標(biāo)ｒ的定義：Ｔ５Ｑ為時(shí)間累計(jì)流量占總??流量比例在２５％到７５％之間的持續(xù)時(shí)間；：Ｔ９Ｑ為時(shí)間累計(jì)流量占總流量比例在??５％到９５％之間的持續(xù)時(shí)間。Ｋｏｕｖｅｌｉｏｔｏｕ等人［２２］發(fā)現(xiàn)伽瑪暴的持續(xù)時(shí)標(biāo)ｒ９Ｑ呈??“雙峰模式”的分布，臨界點(diǎn)在ｒ９Ｑ？２?＜見圖１．４上），兩者Ｔ９Ｑ的平均值分別為??３０?ｓ和０．３?ｓ。長(zhǎng)時(shí)標(biāo)伽瑪暴（簡(jiǎn)稱長(zhǎng)暴）滿足＞２?＞ｓ，能譜偏軟，即能量尚的光??子偏少；短時(shí)標(biāo)伽瑪暴（簡(jiǎn)稱短暴）滿足＜?２?ｓ，能譜偏硬（見圖１．４下）。??ＱＱ〇Ｑ?￣Ｉ￣Ｉ￣￣Ｉ￣￣Ｉ｜?ｒ?ｉ￣￣Ｉ￣￣ｒ￣｜￣￣Ｉ￣￣�。伞觥伞觯睿�?ｉ￣￣｜—ｎ―ｉ￣ｉ??Ｊ??６０。。?一?ｆｌｌ?＿??Ｉ?｜??Ｊ?４０００?：?ＩＩＩ?；??０?Ｉ?

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本文編號(hào)：2862027