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《南京大学》 2017年
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宇宙线和暗物质探测研究

卢伯强  
【摘要】:虽然包括引力透镜成像以及微波背景辐射等大量天文观测证实了暗物质的存在,但暗物质粒子一直没有在实验上被探测到,关于暗物质粒子性质的研究是目前物理学的一个重要前沿课题。本论文主要对宇宙线观测以及暗物质的性质和探测实验展开系统研究,主要研究成果包括如下四个方面:1.我们对宇宙线的太阳调制效应展开系统研究,能量(?)20 GeV的宇宙线会强烈地受到太阳活动影响,传统上采用力场近似的方法来拟合这个效应。我们利用最近发展的随机微分方程求解传播方程的方法,独立地开发了一个三维的太阳调制程序。利用这个程序我们具体地研究了宇宙线的太阳调制效应,我们发现宇宙线处于q40的太阳周期内遭受到的太阳调制比qA0的太阳周期更加强烈。通过对太阳调制导致的宇宙线能损的分析,我们给出了太阳调制程序和力场近似之间的联系,同时我们解释了能量(?)10 GeV正电子比例数据随时间的变化行为。2.在对Payload for Antimatter Matter Exploration and Light-nuclei Astrop-hysics(PAMELA)以及Fermi Large Area Telescope(Fermi-LAT)电子宇宙线数据分析的基础上,我们发现这些数据表明电子宇宙线能谱在能量之100 GeV有变硬趋势。但在传统宇宙线模型中,由于高能正负电子宇宙线在传播过程中会受到强烈的能损效应,因此其能谱会随能量变软。利用随后Alpha Magnetic Spectrometer 02(AMS-02)实验公布的一批高精度的电子宇宙线数据,我们验证了我们的发现。我们进一步提出,这些超出是来自一些邻近中等年龄的超新星遗迹源的贡献,通过对电子能损和扩散效应的分析,我们发现最可能的邻近源是Geminga和Monogem。这里要特别指出,我们提出宇宙线在注入到星际空间之前会被束缚在源内一段时间,同时给出了束缚时间的能量依赖关系,利用这些结论我们解释了High Energy Stereoscopic System(HESS)实验观测到(1-4)TeV电子宇宙线数据随能量迅速衰减的行为。3.由于暗物质湮灭或衰变会贡献等量的正负电子,但观测到的正电子宇宙线的流量远小于电子宇宙线,我们排除了AMS-02实验观测到的高能电子宇宙线能谱超出是来自暗物质湮灭或衰变贡献的可能性。在这个结论的基础上,我们假设电子宇宙线中的超出来自天体源的贡献并用分段幂律谱的办法拟合数据,我们第一次利用电子宇宙线数据对暗物质参数空间做出限制。通过对比我们发现,对于较大的暗物质质量,我们给出的限制结果会更强于那些利用正电子宇宙线数据给出的限制结果。在AMS-02实验公布了一批高精度的正电子比例和反质子比例数据之后,我们采取类似的假设并对暗物质参数空间做出了更严格的限制。同时我们进一步研究了各种宇宙线传播参数对暗物质参数空间95%置信度上限的影响。我们发现对于暗物质质量(?)100 GeV太阳调制起主要贡献,而对于更大的暗物质质量,则是扩散参数起主要影响。4.我们详细地研究了暗物质与原子核的有效相互作用模型,具体地展示了暗物质与原子核散射截面的自旋相关性。最近的研究发现在Fermi-LAT实验给出的银心方向的伽玛射线数据中存在超出现象,对应的峰值集中在(1-3)GeV之间。我们假设这个超出是来自暗物质湮灭的贡献,通过仔细地分析来自矮星系伽玛光子以及宇宙线观测数据的限制,我们排除了除τ轻子暗物质湮灭道外其他暗物质湮灭道的可能性。我们提出了Leptophilic暗物质模型去解释这个超出现象,给出了3σ置信度的暗物质参数空间。同时我们考虑了来自暗物质直接探测实验,AMS-02宇宙线数据以及暗物质遗迹密度对我们模型的限制,我们发现除了两种有效相互作用外,其他大部分相互作用模型会被排除。对撞机实验通过分析丢失能量事例来寻找暗物质,我们利用对撞机实验结果以及联合宇宙线数据对一些暗物质有效相互作用模型给出限制。
【学位授予单位】:南京大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:O572.1

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