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地面宇宙线观测实验必须依赖于计算机蒙卡模拟。而计算机蒙卡模拟依赖于强子作用模型和原初宇宙线成分的假设。目前,包含几种强子作用模型的计算机蒙卡模拟软件包CORSIKA被广泛地应用于地面宇宙线观测实验。而对于地面宇宙线观测实验的多参量观测,众所周知,目前没有一种强子作用模型能完整地反映实验观测到的所有结果。因此我们需要检验和进一步完善强子作用模型。
本论文将利用最新羊八井空气簇射轴“芯”探测器阵列(YAC-Ⅰ)的实验数据对数10TeV能区朝前区6种强子作用模型(QGSJET01c、QGSJETⅡ-03、QGSJETⅡ-04、EPOS1.99、EPOS LHC(v3400)和SIBYLL2.1)的检验方法和结果。本论文工作,选择数10TeV能区进行朝前区强子作用模型检验的理由如下:1)直接观测实验(气球,卫星实验)已经很好地测量了这个能区的原初宇宙线能谱,检验强子作用模型时原初宇宙线成分不确定性带来的系统误差小。2)此能区对应的质心系能区为几百GeV。在这一能区,Sp(p)S实验已经能精确测量近朝前区非弹性截面和次级粒子产生,因此强子作用模型中对极端朝前区进行外推的不确定性相对较小。3)强子作用模型的检验应该从低能区开始一步一步展开。4)由于羊八井的高海拔优势,使得“芯”探测器(YAC)比海平面观测到多数十倍的空气簇射轴“芯”区的次级粒子。它们可以直接反映原初宇宙线粒子与空气中的核子发生强相互作用的特征。而且“芯”探测器(YAC)的超低阈能和宽动态范围,使它能观测到300MeV以上的光子或电子,这些优势使我们可以从数10TeV能区开始有效地进行朝前区强子作用模型的研究。
本论文使用了2009年5月1日到2010年2月23日的YAC-Ⅰ实验数据,事例数为1796542例,活时间为169.65天。本论文利用了两种宇宙线成分模型,重核优势模型(Heavy dominant model(HD))和宇宙线非线性加速模型(Non-linear acceleration model(NLA)),且本论文分三个能区(其mode energy分别为~35TeV、~70TeV、~90TeV)对强子作用模型进行检验,这三个能区选出来的样本中(质子+氦)占的比率都在90%以上。此时,我们发现,当强子作用模型相同时,比较使用不同原初宇宙线成分模型得出的结果,差异在5%以内。因此,这个能区受宇宙线成分模型不确定性的影响很小,我们认为基本已经排除了宇宙线成分模型对检验强子作用模型带来的“二异性”干扰。
利用次级粒子产生谱(sumNb、Nb/sumNb、Ntopb)三个参量的计算机蒙卡模拟与实验观测到的谱形进行比较,考虑到YAC-Ⅰ实验的铅板下簇射大小(Nb)有~10%的实验系统误差,以及样本中10%~15%的非(质子+氦)成分混入带来的影响。我们发现蒙卡模拟中,利用所用到的6种强子作用模型关于这三个参量的谱形在18%的误差范围内能很好地再现了实验观测到的谱形,说明在数10TeV能区费曼标度率没有破坏。但根据次级粒子产生谱(sumNb、Nb/sumNb、Ntopb)三个参量的计算机蒙卡模拟与实验观测到的绝对流强进行比较时,发现实验观测到的绝对流强比所用到的6种强子作用模型给出的流强都高。最接近实验的是SIBYLL2.1,比实验结果约低10%; QGSJETⅡ-03和EPOSLHC(v3400)的流强比实验约低15%,QGSJETⅡ-04的流强比实验约低20%,与实验流强差别最大的是EPOS1.99和QGSJET01c,比实验结果低了30%~40%。因此在数10TeV能区,现有的强子作用模型中空气簇射的发展比实验要快。另外,根据空气簇射横向分布(和)两个参量的计算机蒙卡模拟和实验观测到的谱形进行比较,发现在18%的误差范围内,模拟中利用所用到的6种强子作用模型关于这两个参量的谱形都能很好地再现实验观测到的谱形,说明在数10TeV能区,各种强子作用模型关于横运动量的描述基本正确。