宇宙线电子起源的研究

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河内宇宙线的起源始终是天体物理方向的一个重要课题,其中电子/正电子的起源又是河内宇宙线起源这一课题的重要分支。由于同步辐射与逆康普顿散射,高能电子/正电子在传播过程中会快速地损失能量。因此,地球附近探测到的这些高能粒子必然是由邻近的源所产生的。对于宇宙线电子而言,普遍认为是由银河系内的超新星遗迹加速产生,而对于宇宙线正电子的起源则有许多不同的理论模型:作为初级粒子由邻近的脉冲星、暗物质湮灭等产生,或者作为次级粒子由初级宇宙线的强子过程产生。随着像PAMELA、AMS-02、HESS、DAMPE等最新实验数据的公布,在全电子谱以及正电子谱上都发现了许多全新的特征。其中最引人注目的特征之一是,相比于传统模型的预言,正电子比例在10 Ge V之上有个超出。这些延伸到极高能的高精度数据对宇宙线的传统认知提出了挑战,也为我们研究电子/正电子的起源提供了研究手段。同时,HAWC对Geminga和PSR B0656+14这两颗脉冲星周围弥散伽马辐射的观测发现,这两颗脉冲星周围存在慢扩散区域,其中的扩散系数比正常的ISM扩散系数小了两个量级。这一发现为研究宇宙线提供了全新的视角。我们的工作考虑了HAWC最新的观测结果,并尝试用天体物理起源来解释观测到的电子/正电子流量。在论文的第一章中,我们简单介绍了与宇宙线电子/正电子相关的背景知识,包括河内宇宙线的传统模型、探测宇宙线电子/正电子的实验和最新的观测数据,以及目前比较公认的解释电子/正电子起源的模型。在第二章中,我们基于HAWC最新的观测,假设了Vela X周围存在一个慢扩散区域,其外则是正常扩散系数的区域。我们发展了一种解析近似的方法来处理双区扩散问题,并使用HESS最新的电子流量数据来限制了Vela X周围的扩散系数。我们发现Vela X周围的扩散系数比ISM中的小两个量级。在第三章中,我们使用DRAGON程序研究了用宇宙线强子过程产生的次级粒子来解释所有正电子流量的可能性。我们发现,在拟合了最新的质子与反质子数据的情况下,相应的次级正电子因为冷却效应而无法解释AMS-02的观测,因而需要其他的源来产生初级正电子。第四章里,我们对Geminga和PSR B0656+14这两颗脉冲星考虑了双区扩散的模型。同过拟合Fermi-LAT得到的Ge V能段的上限以及HAWC观测得到的Te V能段的流量,我们研究了这两颗脉冲星解释正电子超的可能性。在最后一章中,我们进行了总结,并对以后的工作发展进行了展望。
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