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用羊八井宇宙线观测实验寻找甚高能γ暴

周勋秀  
【摘要】: 自1967年γ射线暴(Gamma-Ray Bursts,以下简称γ暴或GRBs)发现以来,许多卫星实验和地面实验投入了γ暴的研究工作,对γ暴的时间结构、空间分布、能谱特征等取得了丰富的观测资料,但是,γ暴依旧是天文学上最神秘的现象之一。30多年来,γ暴的起源一直不清,甚至γ暴源究竟近在眼前,还是远在天边,也长期无法确定。 到目前为止,卫星探测器已观测到近3000个γ暴,结果表明γ暴的空间分布是高度各向同性的。1997年以来,许多γ暴被观测到了多波段余辉,有些还测出了其寄主星系的红移值,宇宙学起源模型逐渐流行起来。由于卫星实验受其探测器面积的限制,所探测到γ暴的能量都在30GeV以下。探测甚高能(E>100GeV)γ暴的地面实验显得尤为重要,因为该能区的γ射线在穿过宇宙学距离时,会受到星系际空间的红外背景光子以及2.7K微波背景光子的强烈吸收,这就大大限制了对该能区γ射线的探测。如果实验中观测到了该能区的γ暴,就说明这些γ暴不可能是宇宙学距离的天文现象,将是对γ暴河内起源说的有力支持;如果探测不到,则支持了宇宙学起源模型,同时将对γ暴的产生机制和γ暴源距离下限带来重要信息。 甚高能γ暴存在吗?目前已发现的γ暴大都在keV和MeV能区,但很多理论模型预言了甚高能区的γ暴存在;在GeV能区,EGRET观测到几个与BATSE暴相符合的γ暴(其中GRB940217持续时间90分钟,有一个光子能量高达18GeV),说明BATSE卫星观测到的γ暴常伴随着更高能量的γ暴发生;大多数γ暴的能谱是指数为2左右的幂律谱(高能端尚未见截断),如果γ暴的能谱可延伸至TeV能区,采用大面积、高记数率的地面探测器,探测该能区的γ暴是可行的。 已有几个地面实验正致力于TeV能区γ暴的研究,如Milagro、HEGRA、Tibet ASγ等,但到目前为止仍为负结果。位于西藏羊八井(海拔4310m)的广延大气簇射阵列(Tibet ASγ array)具有其独特的地理物理优势,在同类实验装置中具有最低的观测阈能和最高的簇射计数率,尤其是羊八井三期阵列的阈能降至1.5TeV、记数率已达680Hz,用其来寻找TeV能区的γ暴具有很多优势。 本文利用羊八井ASγ三期阵列(1999年11月18日到2002年7月6日)的重建数据(约1.45×10~(10)个事例)进行了TeV能区γ暴的全天区独立寻找,得到候选γ暴由本底涨落导致的最小几率约为7.2×10~(-12);同时也与卫星γ暴在空间和时间上进行了TeV能区γ暴的符合寻找,候选γ暴由本底涨落导致的最小 西南交通大学硕土研究生学位论文 第11页 几率约为7.SX10\但考虑到试验次数,其超出均在统计涨落误差范围内,不 足以被确认为Y暴。本文对上述结果进行了置信水平为95%的流强上限估计,约 为 10I~10-’ph*m’S-‘ 本文通过Monte Carlo模拟估算了羊八井ARGO实验(全覆盖式地毯实验) 对 E>10GeV能区 Y暴的灵敏度,得出 ARGO实验所需要的最低流强(定义 Y暴的 发现标准是 5 o)约为 sxlo”勺h.cm’.s’。


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