利用"多信使"观测结果来研究宇宙线膝区形成机制

The knee of cosmic ray is considered as the boundary point of galactic cosmic ray and extra-galactic one. The cause,component and origin remain a mystery since its discovery 50 years ago. Recently, the observation of the break-off at 700 TeV by ARGO-YBJ and the hybrid experiment WFCTA shed a new light on this problem. In this project we plan to employ the multi-messenger to study the origin of cosmic ray knee structure, which covers:1. Based on the observational data from high energy gamma rays, IceCube atmosphere Muons and neutrinos, together with the astrophysical neutrinos, the research on the break-off position and origin of cosmic ray knee can be done; 2. The diffuse shock in solar flare can accelerate the cosmic rays to hundreds of MeV energy, but the break-off position remains the same for different component. This physical mechanism can be applied to the cosmic ray knee structure; 3. Testing the physical potential of the next generation equipment with higher sensitivity and higher resolution by experiments, such as CTA and LHAASO, so as to evaluate their usability on the study of “knee battle” and cosmic ray origin.

宇宙线膝区被认为是银河内和河外宇宙线的分界点，自从发现到现在50多年了，其起因及成分结构仍然是迷，尤其是最近羊八井实验测量的膝区位置在约700 TeV处，为研究其起源带来了新的曙光。本项目主要利用多种观测结果来研究膝区宇宙线成分机制，内容包括：1.根据高能弥散γ射线、IceCube 大气µ子、大气中微子和天体中微子来研究膝区位置及成分；2.太阳flare活动加速宇宙线到几百MeV,各种成分核子拐折一致，将这一特性推广到超新星激波加速宇宙线来研究宇宙线膝区结构；3.针对下一代更高灵敏度和高分辨率的实验设备(如CTA, LHAASO等)开展物理预期的模拟，讨论其对鉴别“膝区之争”这一核心问题的潜力。

膝区是河内外宇宙线的分界线，是银河系宇宙线加速最高能量，研究这一课题具有重要意义。本项目围绕膝区及以下能段宇宙线能谱进行研究：200GV能谱拐折对膝区影响，临近源贡献，膝区传播机制，有助于理解膝区成因。另外，在本项目资助下开展一系列研究并发表多篇相关文章。具体工作如下：.1. 银河系中心：PeV宇宙线加速工厂. 本项目的主要内容之一：研究宇宙线加速问题。我们讨论了银河系中心光子场的不均匀分布，考虑点源的能谱截断来源于背景光子场的吸收，而弥散区域光子场减弱，吸收不明显，从而解释点源与弥散源的不一致，认为银河系中心是PeV宇宙线加速工厂（APJ发表，已标注）。.2.空间依赖模型基于AMS-02多核子能谱系统研究. AMS-02实验发表了多种核子能谱并给出了各个次级与原初、次级与次级核子能谱比例，我们使用空间依赖模型系统研究了这些能谱及比例，很好的描述了这些现象。（APJ发表，已标注）。.3.200GV能谱拐折与膝区成因共同研究. 这是本项目的另一个研究重点。现各地面实验测量结果不一致，存在许多争议，我们研究了这些现象并给出各实验与低能空间实验的联合限制，并得到中国暗物质卫星“悟空”实验的验证（CPC发表，已标注）。.4.宇宙线各向异性与能谱共同演化的研究. 宇宙线能谱10 TeV能谱拐折与大尺度各向异性幅度发生变化位置一致，我们考虑Gemiaga源的贡献，预期了能谱10TeV拐折，各向异性相位和幅度较好的与实验一致（JCAP发表，已标注）。.5.在以上工作基础上，我们考虑了Fe以下所有成分，使得相位和幅度与实验更加一致，同时，我们考虑10TeV能谱拐折是A依赖和Z依赖，发现幅度和相位两种情况下有2倍差别，这一结果对研究膝区能谱拐折有较重要意义（JCAP发表，已标注）。.6.旋臂对电子能谱贡献研究. 传统模型下原初电子在几十GeV以上有额外成分，且正电子谱需要乘以2-3的因子才能符合实验数据，而空间依赖模型可以解释原初电子额外成分，并且考虑旋臂后，正电子谱乘以1.3因子即可（CPC发表，已标注）。