利用ARGO实验的“双前峰面”事例和新升级的ASγ联合实验研究10GeV以上能区的γ射线暴

GRB, a violent energy release within a short time,is a extreme astronomical phenomeon. The study of this phenomeon has been a hot spot in astrophysics and cosmic rays. But no significant E>100GeV GRBs were detected. Due to the unique advantage of YBJ high altitude, we plan to search for VHE GRBs using "double front" event in ARGO and ASγ (Tibet-III+MD)data. We also plan to analyze the temporal variations of the high-energy explosions through the results of satellite experiments and ground experiments.The focus of this project is to improve the sensitivity of ARGO and ASγ in detecting GRBs. So we plan to reduce the threshold energy of ARGO through the analysis of "double front" event, improve the ability to discriminate γ/hardon by coincident with Tibet-III data and MD data. The study of this project will provide important information about the basic questions of GRBs,the origin and the radiation mechanism of cosmic rays. At the same time, it will provide experience and the basis for ground experiments in detecting higher energy explosions in the future.

γ射线暴是一种在短时间内释放巨大能量的极端天体现象，一直是天体物理和宇宙线物理的研究热点，但在100GeV及以上能区至今尚未获得确定的观测结果。本项目利用羊八井国际宇宙线观测站高海拔的独特优势，分析ARGO实验的"双前峰面"事例和新升级的ASγ联合实验（Tibet-III+MD）的数据，寻找甚高能区的γ射线暴，结合卫星实验与地面实验对γ射线暴的观测结果，分析高能爆发现象的时变规律。本项目的重点是提高实验探测γ射线暴的灵敏度，为此，计划通过"双前峰面"事例的分析来降低ARGO实验的探测阈能；符合Tibet-III和MD两种模式的数据来提高ASγ联合实验的γ/强子鉴别能力。 本项目的研究，为解决γ射线暴的基本问题、深入理解宇宙线的起源和高能辐射机制提供重要信息，为今后探测高能爆发现象的地面实验提供经验和依据。

本项目利用西藏羊八井宇宙线观测实验，对10GeV及以上能区的γ射线暴进行了研究。把Fermi卫星观测到γ射线暴的能谱延伸至800TeV，计算了这些暴在ARGO实验（10-1000GeV）和ASγ实验（1-800TeV）能区的流强分布。为了提高ARGO实验的灵敏度，我们选用了可降低探测器阈能的“双前峰面”事例，完整地模拟研究了该类事例探测γ射线暴的灵敏度，发现在原初能量小于30GeV时，“双前峰面”事例的灵敏度比“触发”事例的高。对ARGO实验中的“双前峰面”事例进行了重建，并与卫星γ射线暴在时间和方向上进行了高能光子的符合寻找。利用ARGO实验中的“触发”事例，分析了进入羊八井视场内（天顶角小于45°）的156个卫星γ射线暴，在时间和方向上进行了E>10GeV高能光子的符合寻找。考虑河外背景光子（EBL）吸收效应后，计算了在99%置信水平下，ARGO实验探测γ射线暴所需要的能流上限。若GRB130427A的能谱能延伸到1000GeV，其流强在能区10-1000GeV范围内为4.7×10^-4 erg cm^-2，ARGO实验将很容易观测到强度如GRB130427A的暴。灵敏度更高的LHAASO实验将有望在γ射线暴的探测中取得突破性进展。我们还研究了雷暴电场对羊八井地面宇宙线次级正、负电子强度的影响。通过Monte Carlo模拟计算和分析ARGO实验中单粒子模式的数据，发现地面宇宙线次级正、负电子强度在雷暴期间会发生显著的变化，且与大气电场的强度和极性都有关，这为地面宇宙线实验探测γ射线暴等高能爆发现象提供了重要信息。总结这些研究成果，共发表学术论文10篇，其中我们作为通讯作者（代表ARGO-YBJ合作组）在国际刊物ApJ和PRD 上发表了两篇文章。