Ultra High Energy Cosmic Rays from earth-based observatories
Sergio Petrera
在这篇为2008年碰撞物理学会议准备的论文中，对来自地球观测站的UHECRs的最新结果进行了披露和评论。
In this paper, prepared for the Physics in Collisions 2008 Conference, the most recent results on UHECRs from earth-based observatories are exposed and reviewed.
机构、总结、中文摘要均由AI分析而来，可能存在错误，请以论文正文为准。
继续探索
Multi-Messenger Astronomy: Cosmic Rays, Gamma-Rays, and Neutrinos
虽然宇宙射线在一个世纪前就被发现了，但我们不知道它们是在哪里以及如何被加速的。天文学中最古老的问题将很快通过雄心勃勃的实验得到解决，这是一个现实的希望：面积为10，000平方米的空气簇射阵列，空气切伦科夫望远镜阵列和千米级中微子观测站。他们的前辈正在创造科学。我们将回顾亮点：- 宇宙射线：最高能量粒子和GZK截止，宇宙加速器的搜索和天鹅座区域，自上而下的机制：光子与质子？- TeV能量的伽马射线：耀变体，分子云如何揭示质子束，漫射红外背景的第一个暗示？- 中微子：建造更大规模天文台技术的初步结果和概念验证。
Gamma-Rays from Grazing Incidence Cosmic Rays in the Earth's Atmosphere
掠入射超高能宇宙射线与地球大气的相互作用可能为利用γ射线卫星研究高能宇宙射线提供一种新的方法。研究发现，这些宇宙射线的相互作用可能会产生毫秒级的伽马射线，这些伽马射线可以被卫星探测到。瞬变伽马射线事件的极低伽马射线背景和大面积的相互作用，地球表面，使该计划似乎可行。对于10 ^20 eV以上的宇宙射线，探测相互作用的有效截面比地球上的探测技术高出两个数量级以上。这种方法最终可能提供一种有效的方法来探测宇宙射线能谱中事件稀少的区域。在本文中，提出了一个概念模型的基础上，这些掠入射遇到地球大气的伽马射线短脉冲的生产。
Contribution of a nearby Pulsar to Cosmic Rays observed at Earth
研究了近地天体对地球观测到的宇宙射线的贡献。发现宇宙线各向异性振幅的实验限对脉冲星转动能转换成发射粒子动能的效率有重要的约束作用。本文估计了两个著名的邻近γ射线双星，即船帆座和盖明加星的宇宙线通量。分析表明，观测到的宇宙射线各向异性限制了船帆座和Geminga星的贡献，最多只能占膝盖以下观测到的宇宙射线的1%。
X-Ray Emission from Jupiter, Saturn, and Earth: A Short Review
木星、土星和地球--这三颗行星拥有稠密的大气层和发达的磁层--已知会发射X射线。最近，钱德拉X射线天文台观测到了来自这些行星的X射线，XMM-牛顿观测到了来自木星和土星的X射线。这些观测提供了来自这些行星的X射线的改进的形态，时间和光谱特征。极光和非极光（低纬度）的“圆盘”X射线发射在地球和木星上都被观测到。X射线已经从土星的圆盘上被探测到，但是没有令人信服的证据表明土星上有X射线极光。来自木星、土星和地球的非极光圆盘X射线发射，主要是由于太阳X射线的散射而产生的。地球上的X射线极光主要是由电子沉淀通过韧致辐射产生的，而木星上的极光则是由高电离的高能重离子沉淀到极地大气中进行电荷交换产生的。最近未发表的工作表明，在更高的能量（>2 keV）下，电子韧致辐射也在木星的X射线极光中发挥作用。本文总结了最近对木星、土星和地球的X射线观测结果，主要是在软能（~0.1-2.0 keV）波段，并提供了一个比较概述。
Flux of light antimatter nuclei near earth, induced by Cosmic Rays in the Galaxy and in the atmosphere
在唯象框架下计算了宇宙线与银河系星际物质和地球大气相互作用在地球附近产生的A ≤ 4的光反核通量。反核子的强子产生截面是基于最近对一组广泛的加速器数据的参数化。轻核的产生是使用聚结模型计算的。对于标准聚结模型，聚结半径与现有的实验数据拟合。非湮灭的非弹性散射过程的反氘核进行了讨论，并考虑到第一次通过一个更现实的程序比迄今为止使用的反质子。
Neutrino Observatories Can Characterize Cosmic Sources and Neutrino Properties
测量超高能$ν_{e}, ν_μ, ν_τ$相对通量的中微子望远镜可以提供关于源的位置和特性的信息，关于中微子混合，并且可以测试中微子不稳定性和偏离中微子扇区的CPT不变性。我们调查的中微子混合的中微子通量到达地球的后果，并考虑如何地面测量可以表征遥远的来源。我们对比了由中微子振荡产生的混合物和那些信号中微子衰变。强调了中微子观测站测量$ν_{e}, ν_μ, ν_τ$通量的重要性。
The Mystery of Ultra-High Energy Cosmic Rays
能量高于10 $^{20}$ eV的宇宙射线的起源仍然是个谜。将粒子加速到这些能量是一个挑战，即使是已知的最具能量的天体。虽然到达方向的各向同性证明了银河系外起源，但宇宙背景辐射产生的光子-π介子将这些粒子的来源限制在距离我们不到50 Mpc的系统中。大回旋半径，有效的能量损失，和各向同性的到达方向的组合违抗大多数建议的天体物理加速器，以及更奇异的替代品。我简要回顾了超高能宇宙射线加速和传播的理论模型，并讨论了未来天文台解决这个宇宙之谜的潜力。
The Highest Energy Cosmic Rays, Gamma Rays and Neutrinos: Facts, Fancy and Resolution
虽然宇宙射线在90年前就被发现了，但我们不知道它们是如何以及在哪里被加速的。有令人信服的证据表明，最高能量的宇宙射线是银河系外的--它们无论如何不能被我们银河系的磁场所包含，因为它们的回旋半径超过了它的尺寸。基本的基本粒子物理学规定了它们能量的普遍上限为$5\times10^{19}$ eV，即所谓的Greisen-Kuzmin-Zatsepin截止值;然而，已经观察到超过这个能量的粒子，这给宇宙线之谜增加了一个谜团。然而，神秘是进步的沃土：我们将回顾事实，并提到一些非常投机的解释。人们确实希望通过雄心勃勃的实验很快解决天文学中最古老的问题：$10^4$ km $^2$区域的空气簇射阵列、空气切伦科夫探测器阵列和公里级中微子天文台。
The Highest Energy Emission Detected by EGRET from Blazars
公布的EGRET光谱从耀变体延伸到10 GeV，但EGRET已经检测到大约2000个伽马射线超过10 GeV，其中大约一半是在银河系高纬度。我们报告了这些高能量的伽马射线与EGRET和TeV检测到的耀变体的关联搜索。由于EGRET的点扩散函数随着能量的增加而提高，预计只有~2个伽马射线与搜索的80个blazar在位置上重合，但观察到了23个伽马射线。由于地面TeV观测站的灵敏度提高和能量阈值降低，这种> 10 GeV源的收集应该特别令人感兴趣。其中一颗耀变体RGB 0509 +056是EGRET从任何耀变体中探测到的最高能量的伽马射线，能量为2 > 40 GeV，是一颗BL Lac型耀变体，红移未知。
Messengers of the Extreme Universe
我们简要介绍了最高能量的信使：非常高能量的光子，中微子和超高能宇宙射线。随着正在建设的新天文台，极端宇宙的神秘运作应该很快就会被揭开。
A new approach to inferring the mass composition of cosmic rays at energies above 10^18 eV
我们描述了一种新的方法来建立在高能量的质量组成。通过测量垂直和倾斜的簇射率，它有可能区分轻核和重核。我们将该方法应用于10^18 eV以上的Haverah Park数据，表明在夸克胶子弦喷流模型正确描述高能相互作用的假设下，倾斜簇射测量有利于能量高于10^19 eV的光成分。使用关于宇宙射线光谱的各种假设也可以得到同样的结论。在某种程度上，精确的光谱测量将有可能通过即将进行的实验，如俄歇天文台，该方法将进一步限制超高能宇宙射线的组成数据。
X-rays from the First Massive Black Holes
在过去的几年里，对高红移（z > 4）活动星系的X射线研究有了很大的进展，这主要归功于新一代X射线天文台的研究结果。在撰写本文时，已经从近60个高红移活跃星系中探测到了X射线辐射。本文回顾了第一个大质量黑洞模型的观测结果及其意义，并讨论了该领域的未来前景。
Possible Spectra of Cosmic Rays Accelerated in Extragalactic Sources
本文计算了来自红移z<=0.0092的Seyfert核和来自蓝色Lacertae天体的超高能宇宙射线（UHECR）在地球上的谱。并与实验数据进行了比较。结果表明，在附近的塞弗茨UHECR的初始频谱是最有可能的指数。BL Lac's的UHECR可能具有能量为10^21 eV的单能初始谱，以拟合数据。如果不存在红移z<0.02的Bl Lac，则这两个模型中得到的地球光谱非常相似。宇宙射线的最大能量似乎不超过10^21 eV。在计算中，我们根据Veron-Cetty和Veron最近（2001年）的活动核目录（见正文中的参考文献）使用了天体的红移分布。
Neutralino Clumps and Cosmic Rays
米基道的晕可能包含大量密集的子结构，在这些子结构中，假定的弱相互作用大质量粒子（被认为是天文学暗物质的主要成分）将产生比平滑区域更强的湮灭信号。离地球最近的星系团越近，地球上的正电子和反质子宇宙射线通量就越大。但这些亚结构的实际分布尚不清楚。因此，对地球上反物质产量的预测受到一种宇宙方差的影响，这种方差的分析是本文的主题。统计工具，以实现这一目标，蒙特卡罗模拟分析结果进行了比较。
Feasibility Study for Measuring Geomagnetic Conversion of Solar Axions to X-rays in Low Earth Orbits
我们提出了一个详细的计算的预期率的太阳轴子的地磁转换为X射线（GECOSAX）沿轨道的X射线卫星。我们使用真实的卫星轨道和传播时间。一个现实的地球磁场，它正确地占其空间不均匀性模型，使用。我们还考虑了地球大气对X射线传播的影响，计算了轴子-光子转换概率。为了估计轴子-光子耦合g_{aγ}可能的灵敏度，我们使用SUZAKU卫星对预期背景的实际测量。假设探测器面积为10^3 cm ^2，数据约为10^6 s，我们证明，对于质量m_a<10^{-4} eV的轴子，从GECOSAX得到的2 σ极限g_{aγ} <（4.7-6.6）乘以10 ^{-11} GeV^{-1}是可以实现的。这显著超过了当前实验室对g_{aγ}的敏感性。
Neutrinos and the Highest Energy Cosmic Rays
超高能宇宙射线（UHECR）的能量超过$10^20$ eV，它的观测仍然是现代天体物理学的一个难题。即使在最强大的宇宙加速器如AGN、GRB或FR-II射电星系瓣中，也很难实现超过16焦耳的能量转移到微观粒子上。由于质子、原子核或光子的相互作用长度小于10 Mpc，潜在的源也必须位于地球的100 Mpc以内。然而，没有观察到这些来源的明显对应物。因此，呼吁新的物理学，如拓扑缺陷相互作用或超大质量遗迹粒子衰变是非常诱人的，但这样的对象尚未被证明存在。由于UHECR的通量非常低，只有非常大的专门实验，如俄歇天文台，才能对这些宇宙射线的起源有所了解。在这一探索中，中微子如果能被探测到，将是了解源的性质的宝贵信使。
Ultra High Energy Cosmic Rays
宇宙射线光谱最高能量端的粒子的起源是在地球上观测到的整个宇宙辐射的起源这一更广泛的问题的背景下讨论的。特别是，我们把我们的注意力集中在加速问题和从银河系到河外宇宙射线的过渡。
Biomarker Response to Galactic Cosmic Ray-Induced NOx and the Methane Greenhouse Effect in the Atmosphere of an Earthlike Planet Orbiting an M-Dwarf Star
在M矮星的宜居带（HZ）中运行的行星会受到高水平的银河宇宙射线（GCR）的影响，这些射线会在类地大气中产生氮氧化物。我们调查了这种NOx在多大程度上可以改变生物标志物化合物，如臭氧（O3）和一氧化二氮（N2O），以及相关化合物，如水（H2O）（生命必需品）和甲烷（CH4）（具有非生物和生物来源）。我们的模型结果表明，这样的信号是强大的，改变M星世界大气柱高达20%，由于GCR NOx的影响相比，M星运行没有GCR的影响，因此可以生存至少银河系宇宙射线的影响。然而，我们在这里还没有研究过恒星宇宙射线。甲烷含量比地球上高出约10倍，这与紫外线变化导致羟基（OH）减少有关。这一增长低于以往研究报告的水平。产生这种差异的部分原因是我们使用了不同的生源输入。例如，与这些研究相比，我们采用了低23%的CH4通量。与地球不同，这些通量的相对温和的变化可能导致M星世界生物标志物和相关物种浓度的较大变化。我们计算了高达4K的CH4温室效应。在烟雾机制和催化损失周期方面，M星世界的O3光化学与地球相比有很大不同。
Ultra-High Energy Cosmic Rays and Symmetries of Spacetime
高能宇宙射线可以探测加速器无法探测到的现象。宇宙射线（可能是质子）的能量超过了$4 \times 10^{19} eV$，即所谓的格瑞森-扎采平-库兹明（GZK）截止值，我们对它们的观测引出了两个难题：粒子是如何加速到这样的能量的？它们的来源是在地球的$50 - 100 Mpc$内，还是洛伦兹不变性实际上是对称性破缺？
The Spiral Structure of the Milky Way, Cosmic Rays, and Ice Age Epochs on Earth
到达地球的银河宇宙线通量（CRF）的短期变化与全球低空云量的变化有关。这种CRF的变化是由太阳风强度的变化引起的。然而，宇宙射线的可变性本质上也来自于银河系的可变活动和运动。因此，如果CRF气候联系确实是真实的，那么在穿过螺旋臂时所看到的CRF增加可能是全球云量增加和温度降低的原因，从而促进了冰河时代的发生。这一情况最近得到各种数据的支持（Soviv，2001年）。特别是，铁陨石中记录的变量CRF似乎与冰河时代的出现同步变化。在这里，我们扩大了原来的治疗与更彻底的分析和更多的支持证据。特别是，我们讨论的宇宙线扩散模型，它考虑了银河系旋臂的运动。我们还详细阐述了银河系的旋臂的结构和动力学。特别是，我们使用HI观测提出了新的论证，这意味着银河系旋臂模式速度似乎符合冰期和从铁陨石中提取的宇宙射线通量记录。此外，我们表明，在恒星形成率的历史，由几位作者推断，明显的高峰期，特别是冰的时代相吻合，而1至2 Gyr的漫长时期之前，目前，在此期间没有冰川已知已经发生，在过去的恒星形成率相吻合的显着不足。
Cosmic rays from Leptonic Dark Matter
如果暗物质具有轻子数，那么很自然地预期暗物质湮灭和/或衰变主要产生标准模型轻子，而产生的反质子的数量可以忽略不计。为了说明这样一个简单的想法，我们考虑一个方案，右手sneutrino暗物质通过微小的R宇称破坏相互作用衰变到标准模型粒子。有趣的是，带电轻子和中微子是直接产生的，它们可以导致预测的正电子分数出现一个尖峰。此外，右手中微子的衰变也产生了弥散的连续伽马射线，这可能是EGRET观测到的过量伽马射线的原因，而初级反质子通量可以被抑制。PAMELA和FGST天文台将检验这些关于正电子、伽马射线和反质子的宇宙射线通量的预测。
Highest Energy Cosmic Rays, Grand Unified Theories, and the Diffuse Gamma-Ray Background
我们探讨的情况下，最高能量的宇宙射线（HECR）产生的新粒子物理大统一尺度附近。使用详细的数值模拟河外宇宙和伽马射线传播，我们显示了一个重要的参数空间的存在，这种情况下是一致的所有观测约束。在大约10 EeV [10**（19）eV]的宇宙射线总通量中，伽马射线的平均份额约为10%，这意味着HECR的非加速起源和小于约10**（-11）G的大规模河外磁场。拟议中的超高能宇宙射线观测站应该能够测试这种特征。
Are extragalactic gamma ray bursts the source of the highest energy cosmic rays?
最近对超高能宇宙射线（UHECR）的大型空气簇射阵列的观测和最近对伽马射线暴（GRB）红移的测量/估计似乎排除了河外GRB作为地球附近观测到的宇宙射线的来源，包括那些能量最高的宇宙射线。
Dual Phase Cosmic Rays
基于平坦时空对称性的计算显示了如何存在两个量子相。首先，极端的相变决定了传统的经典轨道和四动量，即质量乘以四速度。另一个相以有效粒子状态出现，有效能量和动量是相对于时间和距离的相变化率。宇宙射线质子沿着经典轨道运动，但以有效粒子状态存在，其有效能量取决于局部引力势。假设是，在地球附近探测到的超高能态宇宙射线质子在星际空间中的能量要低得多。一个300电子伏的质子入射到地球上，在星际空间中是一个2电子伏的质子。该模型预测，这些质子在太阳附近的能量比在地球附近的能量更高。
Are there strangelets in cosmic rays?
假设进入地球大气层的宇宙射线中含有少量奇异夸克物质块的混合物，人们就可以解释在不同的宇宙射线实验中观察到的许多明显的“奇怪”效应。我们将在这里证明，这种奇异星的质谱填补了宇宙中观测到的最重元素与下一个以中子和奇异星为代表的“类核物体”之间存在的“核沙漠”间隙。
Gravity, Cosmic Rays and the LHC
当大型强子对撞机（LHC）投入使用时，高能质子束的出现将为高能宇宙射线的引力解释提供一个通过/失败的测试。该模型预测，粒子有两种能量，零引力势相等，在地球上的潜力，差异显着超过一个TeV。如果正确的话，在LHC中的7 TeV轨道能量质子将在碰撞中提供23.5 TeV的粒子状态能量。
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