宇宙线传播及宇宙线能谱异常起源的研究

摘要

宇宙线被物理学家喻为神秘的天外来客,它是来自地球之外的高能微观粒子。自1912年发现宇宙线至今已有一百年时间,在这期间人们对宇宙线进行了连续不断的实验探测和理论研究。但是到目前为止,关于宇宙线粒子的几个根本性问题我们仍然无法得到清晰完美的答案,例如宇宙线的起源、加速和传播等问题。宇宙线问题成为现代物理学中最重要也是最基本的问题之一。
　　本论文主要讨论造成宇宙线能谱异常的原因,并利用GALPROP对两种解释模型中的次级粒子预期值进行比较。我们首先简述宇宙线物理的有关知识,然后对数值求解银河系宇宙线传播的程序包GALPROP进行详细介绍,继而在此基础之上对近几年宇宙线能谱异常的问题进行讨论。关于宇宙线能谱的观测,在气球实验CREAM之前的观测结果中,宇宙线的标准能谱是单一幂律谱。然而最新的CREAM实验观测表明,从质子到铁的元素能谱在～200GeV/核子能段出现了异常的变硬,明显不同于一般的单一幂律谱。接着卫星实验PAMELA公布的最新数据显示,质子和氦核的能谱在刚度为～200GV的地方也出现了拐折,而且和ATIC、CREAM的结果是自洽的,且不同于单一幂律谱。有关这一反常现象的理论讨论很多,本文重点讨论其中的两种:一种理论认为,这种能谱异常变硬是由宇宙线粒子注入到星际空间时非线性加速机制造成的;另一种理论则认为,能谱的拐折是临近的单一源能谱和背景能谱叠加造成的。另外,我们要重点比较这一异常现象对于反质子、正电子、伽玛射线的预言在这两种模型中的不同。
　　我们利用GALPROP的宇宙线扩散+对流模型对CREMA和PAMELA能谱进行了很好的解释,接着我们对质子和氦核产生的反质子,以及伽玛射线进行了计算,发现能谱的异常确实造成了反质子和伽玛射线的预言在两种模型中不同。另外我们还计算了正电子能谱,经过比较,两者也存在相应的差异。