物质与反物质粒子在近地磁场中的分布.docx

1、物质与反物质粒子在近地磁场中的分布 物质与反物质粒子在近地磁场中的分布物理学院天文系00级 张蜜蜜摘要1998年6月2日，Alpha Magnetic Spectrometer-AMS磁谱仪搭乘“发现号”航天飞机升空。试飞器（STS-91）进行了共计十天的试验飞行，为研究能量范围为0.1GeV到200 GeV的初级宇宙线粒子束流（）在近地磁场中的分布等物理现象提供了有效的数据，表明这部分低能宇宙线粒子束流起源于宇宙线初级粒子与空气原子核的相互作用，从源经过复杂的传播路径到达地球，并预言了宇宙线中其它粒子（如中微子）在地球磁层影响下的分布。关键词： 宇宙线 初级粒子 次级粒子 地球磁场 内辐射带

2、 东西半球不对称 引言粒子物理和宇宙线的研究已有多年历史，主要通过：1. 在距海平面3040 km大气层中，用高空气球作为探测器；2. 在距海平面1000km以上的地球内、外辐射带区域，用卫星携带小型探测器；3. 处于大气层顶部以上到内辐射带之间（300-500km）的过渡带，却一直是研究的盲区，这也正是AMS磁谱仪在“发现号”航天飞机上作空间试验飞行的目的之一：开展本底研究和检验探测器的性能。Alpha Magnetic Spectrometer-AMS磁谱仪于1998年6月2日至12日由美国“发现号”航天飞机搭载，成功地进行了首次飞行。十天的飞行试验中，STS-91已获得高能量与高强度的粒

3、子束流(107)，使得对宇宙线研究的重点从作为天然粒子束的研究转移成为对其所传递的宇宙信息的分析和研究。2005年，AMS磁谱仪将在国际空间站上正式运行。初级宇宙线主要由多种原子核组成，实验发现1011eV (105GeV) 以上的宇宙线粒子能谱符合负幂律，理论上认为可能是由超新星激波加速造成的。当高能的初级宇宙线粒子进入地球大气层时，在三个特定区域与空气原子核碰撞产生低能的次级粒子，并被地球磁场约束在一个“环”中（观测表明赤道上空400公里处存在一个围绕地球的质子环）。分析“发现号”十天飞行所收集的高精度、高统计的数据，得到的正电子与电子，质子，中微子等粒子在近地磁场中的能谱图；我们可以通过

4、能谱反演出粒子在地球磁场中的运动轨迹从而了解这些次级粒子在大气层中的起源。正文一 AMS磁谱仪由著名美籍华裔物理学家、诺贝尔物理学奖获得者丁肇中教授领导的一个大型国际合作性科学实验项目AMS磁谱仪（Alpha Magnetic Spectrometer），是为了在外层空间进行寻找反物质、暗物质以及研究宇宙射线实验而研制的首台太空磁谱仪，也是人类送入宇宙空间的第一个大型磁谱仪。AMS磁谱仪的物理目标共有三项：1) 以空前的灵敏度寻找空间反物质；AMS比先前用于探测空间反物质的探测器高出104-105倍精度鉴别穿越实验装置的粒子的种类及其电荷的绝对值和符号。2) 通过高精度的反质子、正电子和能谱的

5、测量，寻找暗物质；普遍认为暗物质发生湮灭时可能在上述粒子的能谱中形成独特的分布。3) 高统计高精度的测量氘、氦-3、硼、碳、铍-9和铍-10的能谱；宇宙线同位素和元素丰度的精确测量，能给出有关宇宙线起源及星系约束时间和它们在星系内传播的重要信息。反物质的探测率阿尔法磁谱仪是由低高度、低倾角的“发现号”航天飞机搭载升空的，其轨道运行高度为350-390km, 纬度为51.7，飞行中会遇到南大西洋异常区，这个区域中，粒子流量会反常的增大，所以在数据处理时排除这部分流量。十天的试飞共获得106个电子事件，107个质子事件，下面将就电子和正电子，质子，中微子事件分别作详细的讨论。二 质子流初级质子流能

6、谱满足负幂律谱，, 在观测粒子刚度范围为10R200GV时，测得参数内辐射带中的高能次级质子是由宇宙线反照中子衰变产生的。Fig.3 不同地磁纬度地区质子的能谱图a,b,c为向上穿越磁谱仪的质子事件；d,e,f为向下穿越磁谱仪的质子事件。在低地磁纬度地区如a图所示，向下穿越磁谱仪的包括低能部分的次级粒子与高能部分的初级粒子，但这种差异随着纬度的增大而减小，在极地附近初级粒子与次级粒子平滑的过渡；向上穿越磁谱仪的则只包含低能的次级粒子。三 电子、正电子的分布次级宇宙线中，与纬度的关联图表明，正电子（世界上发现的第一种反物质）与电子的比率在赤道附近为4，在高纬度地区为1，而在初级宇宙线中仅为0.1

7、。a) 次级粒子和初级粒子比率的差异，表明初级粒子与次级粒子起源各不相同。初级粒子被认为是由超新星激波加速产生的，能谱满足负幂律谱；而次级的电子和正电子则是由于高能带电粒子（包括初级粒子）受地磁约束，与大气原子核相互作用产生，在AMS磁谱仪的380KM运行轨道处被记录。b) 电子正电子的比率随纬度变化而形成的差异表明：粒子电荷的差异使得它们在地球磁层中的运动各不相同。1) 内辐射带, 中心约在1.5个地球半径处，范围限于40地磁纬度之间，存在东西半球的不对称性1，西半球起始高度低于东半球；2) 带内向东运行的初级粒子多余向西运行的初级粒子，导致向东运行的次级粒子多余向西运行的次级粒子；3) 对

8、于西行方向的带电粒子，只有刚度()大于60GV,轨道半径大于地球半径时，才能和地球表面保持水平方向掠过而不被地球吸收；同理对于东行方向的带电粒子，刚度也必须大于60GV；4) 对于西行方向的带电粒子，东行方向的带电粒子，刚度只需大于11GV。电子的截止刚度在东行方向上比西行方向上小很多，这导致东行方向的电子比例比西行方向的多，同理西行方向的正电子比例比东行方向的多；西行方向的粒子总数大于东行方向得力子总数，所以在低纬度地区正电子与电子的比例大于1；随着磁纬的增加，内辐射带减弱，正电子与电子的比例趋于1。Fig.2 地球赤平面上，两种带电粒子的运动轨迹图。虚线表示AMS磁谱仪的运行轨道。大气中反

9、常中微子流观测表明：的流量比在接近水平的方向上为2在垂直海平面的方向为1，这可以从它们的产生机制加以说明：在承认AMS所观测到的质子能谱前提下，可以认为质子流是各向同性的穿过大气层。大气中的中微子是初级宇宙线粒子首先同空气原子核发生非弹性碰撞，产生次级正负介子，带电介子寿命短，衰变过程中产生介子、中微子、正负电子等一系列粒子。 由于地球磁场的影响，带电粒子的运动方向会发生变化，偏转角，这个角度是不依赖于粒子的动量，L是衰变所经历的路程，R是回旋半径。介子的寿命比介子的短的多，所以介子在磁场中可以认为保持其运动方向不变，自由程仅为7.8m,；而介子自由程为658.6m，衰变前运动方向会有很大改变

10、。根据观测事实，假设在水平方向上，大气中向东和向西的中微子流量相等，a) 由介子衰变产生的仍会在水平方向上运动， （海平面方向）b) 由介子衰变产生的则会变为垂直海平面方向， （垂直于海平面方向）致谢在此结题之际，回顾一年以来的科研经历，我首先要感谢“校长基金”的创立者，是他给了我们这样一个进行科研工作的机会。感谢我的导师马伯强老师的悉心指导言传身教，以及他为我提供的良好的科研条件，让我在学习知识的同时，开阔了眼界，让我了解了物理的实质。感谢中科院高能所的马宇倩老师，地空学院的付绥燕老师等，感谢他们的帮助我解决科研中遇到的一些问题。 注解： 1 东西向不对称性行成的原因：相同动量的正电子和电子

11、从西向东行，受到地球磁场的影响，正电子向上运动而电子向下运动， 很明显电子的运行轨道更容易和地球相交而被吸收。所以在低磁纬地区，内辐射带受影响强，对带电粒子的影响比高纬度地区强，形成东西半球不对称性。2 地球磁场：地球磁场的一级近似是偶极近似，在球坐标系中可表示为：M是偶极矩，是地磁纬度；对地球而言， 这种一级近似下，偶极的中心和地球的中心有一定的偏差。3 带电粒子在地球磁场中的运动在均匀磁场的模型中，带电粒子将作螺旋运动，运动可以分解为平面内的旋转和垂直于平面的直线运动的合成。回旋半径为a：在非均匀磁场中，当磁场的变化尺度甚大于粒子的回旋半径a时，仍然可以将运动分解为垂直于磁力线平面内的旋转

12、，只是“旋转中心”会有沿磁力线和穿越磁力线的运动。根据磁通量守恒可以得出：再利用能量守恒关系可得：（l是沿磁力线方向的距离）带正电和带负电的粒子有相反的运动方向。参考文献1 The AMS collaboration, “Protons in Near Earth Orbit”, Phys. Lett. B 472, 215, 1999.2 The AMS collaboration, “Leptons in Near Earth Orbit”, Phys. Lett. B 484, 10, 2000.3 The AMS collaboration, “Helium in Near Earth

13、 Orbit” Phys. Lett. (2001).4 S.B.Treiman, “The CosmicRay Albedo”, Phys. Rev. 53, 957 (1953).5 Paolo Lipari, M. Lusignoli and F. Sartogo. Phys. Rev. Lett. 74, 4384 (1995).6 Paolo Lipari, Astropart. Phys. 14,153 (2000), Astropart. Phys. 14, 171 (2000).7 顾以藩，天体粒子物理天文学与粒子物理学的交叉,物理 2002年6月卷。8 朱爱民， 阿尔法磁谱仪

14、与反物质研究,物理1998年11月卷。作者简介：张蜜蜜，女，1982年11月出生于四川成都，2000年从石室中学考入北京大学物理学院（天文系）。入学至今，始终保持班级第一名，曾获“细越奖学金”（2001），“董氏东方奖学金”（2003，2002），三年被评为“北京大学三好学生”。2002年秋，获得“校长基金”资助，在理论物理专家，长江学者马博强教授的指导下，进行“物质与反物质粒子在近地磁场中的分布”课题研究。爱好广泛，曾获钢琴十级。感悟与寄语：在科学的道路上，没有半点捷径，只有付出才能谈收获；只有执着才会有结果。If you could do the things you like, then

15、 you should do it well. It is really admirable.If you could do things well, why not do it as best as you can?If you have time and confidence, why not challenge yourself in order to achieve higher. 指导教师简介： 马博强，男，教授，长江学者，1989年获北京大学博士学位。 1991年获德国洪堡基金会研究金，1992年至1993年为法兰克福大学理论物理所洪堡学者。 2000年1月起在北京大学物理系任教授。为2000年国家杰出青年基金获得者。 2001年起为理论物理长江特聘教授。从事粒子物理，中高能核物理，粒子天体物理学及宇宙学等理论研究，以及高能强子结构的实验探索和数据处理的研究。在国际国内核心学术刊物上发表70多篇论文。对强子结构有关问题有原始创新性贡献，学术观点已引起国际同行的重视和引用, 导致了一些新研究热点的产生。在五夸克强子态的理论预言和实验验证中具有独特的贡献。也从事高能强子结构的实验探索以及粒子天体物理学