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宇宙线膝和正负电子超出的研究 袁强 中科院高能物理研究所 2010年4月19日 合作者：胡红波、王博、樊超、张建立、毕效军 概述：膝和正负电子超出 宇宙线-光子相互作用 拟合观测数据 总结和讨论 总结 我们提出一个在加速源附近发生对产生相互作用的模型同时解释宇宙线的膝和正负电子超出的观测事实。 进一步我们发现该模型可以解释观测到的膝的尖锐度，膝区宇宙线能谱的精细结构，可能的银河系B成分等。 我们找到这个模型的天文实现——宇宙线在年轻超新星遗迹里获得加速。研究表明年轻超新星遗迹可能在1 yr时标将宇宙线加速到极高能量，而超新星爆发产生的强辐射场给相互作用提供足够的靶粒子。 该模型为宇宙线的起源，加速及其与环境的相互作用提供了一点新思路。 讨论：模型的问题 相互作用中我们直接扔掉了光致裂解和?产生过程，需要更进一步的工作以在一个更加真实的图像下将所有相互作用都考虑进来。这需要对加速过程有更深入的理解。 产生的正负电子在源附近的辐射场和磁场中的(级联)相互作用过程。 讨论 讨论 1958年Kulikov Kristiansen发现宇宙线的膝 ——膝已是50年的问题 1912年V. Hess发现宇宙线 ——宇宙线的起源更是世纪之谜 * 内容提要 膝: -2.7→-3.1@4PeV 宇宙线能谱 2nd 膝: -3.1→-3.3@400PeV 踝: -3.3 → -2.7@4EeV GZK: -2.7 → -截断?@60EeV Hoerandel (2007), MPLA 宇宙线能谱 膝的解释：poly-gonato模型 Hoerandel (2003), APh Hoerandel (2004), APh 膝的解释：物理模型 正负电子观测数据 正电子比例：在几GeV以上存在明显超出 电子＋正电子：几十GeV处有变硬的行为，TeV左右变软，和传统背景预期相比存在超出；ATIC观测到峰状结构，Fermi结果比较平滑。 调整的背景模型能否解释观测数据？ Delahaye et al., 2009, AA, 501, 821 gamma=3.54 PAMELA对纯电子能谱测量： gamma=3.33+/-0.04 硬电子注入能谱可以解释Fermi数据，但在低能段和数据符合较差，而且正电子比例与PAMELA观测差别更大 综合考虑正负电子的数据，可以得到结论：正负电子都存在超出！超出的部分很可能来自e+e-对产生过程。 调整的背景模型能否解释观测数据？ 踝 膝? 可能存在的对产生过程 1 PeV 10 PeV 1 EeV 质子 1 TeV 10 TeV 1000 TeV 电子 1 TeV 10 TeV 1000 TeV 光子 星光辐射 (~1eV) 尘埃辐射 (~0.1eV) CMB (~0.001eV) 靶 束 阈能 还有一些非对产生但却产生几乎等量的正负电子的过程，如pp碰撞产生?的过程，暗物质湮灭或衰变。 宇宙线-光子相互作用——膝的形成 某些宇宙线加速源附近可能存在强的辐射场，例如超新星 爆发后，因此光核相互作用肯定可以发生。 对产生的阈大约为(MeV)2,如果背景光子能量为1 eV(可见 光),相应的宇宙线能量需要1 PeV(质子),正好在膝的附近， 而且产生的正负电子也恰好在TeV左右。 因此我们自然地将宇宙线能谱的膝和加速源附近辐射场发 生的对产生相互作用联系起来。 宇宙线-光子相互作用——膝的形成 只有对产生过程起主导作 用，如果加入光致裂解过 程，将产生过多的次级质 子。 我们采取一组演化的辐射 场的温度，但这并不必须。 正负电子逃逸概率2~3% 可以和观测相符。 Hu et al. (2009), ApJL 进一步证据——尖锐的膝 AS? (2008), ApJ 相互作用能损造成的堆积效应将更有助于形成尖锐的膝。 定义尖锐度为 拟合理论谱得到S~2.0 进一步证据——精细结构 Erlykin Wolfendale (2009), ICRC 同样由能损导致的堆积效果在几个位置形成精细结构 Wang et al. (2010), ScChG 进一步证据——B成分 解释1017eV以上能谱需要额外的银河系成分(B成分) 刚度(Z)依赖截断 各成分能谱-2.69 相对丰度(HEAO3) 截断形式较陡 由于对产生高能能损效率的降低，高能段宇宙线谱自然体现出尾巴。如果B成分确实需要那么或许可作为一个旁证。 Wang et al. (2010), ScChG Hillas (2004), NuPhB 1) SN爆发早期宇宙线能量较