利用空间依赖传播模型研究DAMPE电子谱

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宇宙线指来自宇宙空间的带电粒子流。轰击地球大气层之后传播到地球表面时,宇宙线粒子在单位时间单位面积单位立体角内大约有1000个,这些粒子都是电离后的原子核,其中有大约89%的质子或氢原子核、10%的α粒子,还有1%为重元素,这些构成了宇宙线的99%。与电磁辐射相比,宇宙线为我们提供了直接了解银河系以及宇宙中来自不同源的物质组成的机会。在宇宙线物理学中一直有三个基本问题困扰着人们:这些带电粒子是从哪里来的?它们是如何被加速到那么高的能量?它们在银河系中又是如何传播的?目前关于宇宙线起源问题的相关答案仍不清楚,如果可以清晰地了解这些带电粒子的产生、加速、传播的细节,将有助于更深刻的理解银河系的各个星系。本文中对宇宙线在银河系内的传播过程进行了重点研究,论文主要内容如下:第一章中首先综述了宇宙线的发现及其研究历史,介绍了宇宙线的主要特征,包括化学成分和能谱(包括GZK截断),总结了宇宙线在银河系中传播时的总传播方程。第二章中介绍了一些传统的传播模型,对它们的原理进行了详细的阐述,其中重点介绍了我们使用的宇宙线的传播模型即空间依赖传播模型。在传播方程中包含了扩散、对流、扩散再加速、能量损失、碎裂和宇宙线源项等几部分,对它们的形式进行了重点说明。给出了稳态情况下的几种不同形式的传播方程解,并使用已知实验数据对空间依赖传播模型进行了验证。第三章研究了目前实验探测到的宇宙线电子的能谱,使用的实验数据是Dark Matter Particle Explorer(DAMPE)2017年发表在Nature期刊上的总电子流强能谱,其中电子能谱有一个超出结构(我们称之为“尖锐峰”),利用空间依赖传播模型和传统模型对这部分电子能谱进行了分析、验证。我们假设能谱超出部分是来自附近的脉冲星,根据已知的脉冲星知识并考虑了脉冲星与太阳系之间的距离,计算了其宇宙线流强。假定这类脉冲星在整个银河系中都存在,使用空间依赖传播模型将超出结构传播到整个银河系,研究了脉冲星在整个银河系中产生的电子对DAMPE电子谱的贡献。结果表明,距离太阳系1kpc范围内的宇宙线粒子在传播过程中对能谱影响非常有限。而在距离1kpc外的宇宙线粒子在整个银河系中传播时,虽伴随能量损失,但对低能正负电子加速和传播有不可忽略的贡献。在第四章中,总结全文的主要内容及尚待研究解决的问题,对未来进一步进行了展望。
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