【摘 要】
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很多家实验观测到宇宙线全粒子谱能谱在几个PeV处有“膝”的结构,原初宇宙射线全粒子能谱膝区的物理特征对于研究宇宙线的起源、加速和传播机制非常重要。高能宇宙射线的质量组分是解释宇宙中这些高能粒子的起源、加速和传播机制的关键之一。我国科学家提出的高海拔宇宙线观测站（LHAASO）项目,目标是探索高能宇宙线起源、开展北天区伽马源扫描搜索等,膝区宇宙线成分测量是该项目的重要研究内容。LHAASO建设在中国
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很多家实验观测到宇宙线全粒子谱能谱在几个PeV处有“膝”的结构,原初宇宙射线全粒子能谱膝区的物理特征对于研究宇宙线的起源、加速和传播机制非常重要。高能宇宙射线的质量组分是解释宇宙中这些高能粒子的起源、加速和传播机制的关键之一。我国科学家提出的高海拔宇宙线观测站（LHAASO）项目,目标是探索高能宇宙线起源、开展北天区伽马源扫描搜索等,膝区宇宙线成分测量是该项目的重要研究内容。LHAASO建设在中国四川稻城,海拔高度4410 m,大气深度约为600 g/cm2,该海拔高度是膝区宇宙线纵向发展簇射极大处,簇射涨落小。LHAASO是复合型阵列,其中占地面积达一平方公里的电磁粒子探测器（ED）和缪子探测器（MD）构成KM2A阵列,可以测量1013～1017eV能量范围内的宇宙线能谱。KM2A可以同时测量宇宙线大气簇射产生的电磁粒子和缪子,缪子探测器阵列是目前世界上面积最大的高海拔缪子探测器。在广延大气簇射过程中,强相互作用产生的π介子和K介子会很快衰变为μ子,而μ子在大气中有很强的穿透力,几乎携带产生时的全部信息到达地面,因此在大气簇射中的μ含量对强相互作用模型敏感。不同宇宙线成分在大气簇射中产生的μ子含量不同,是鉴别宇宙线成分的重要物理量,测量大气簇射中的μ子含量,进行宇宙线成分鉴别和强相互作用模型检验,对研究宇宙线起源具有重要的科学意义。地面阵列需要通过次级粒子的到达时间、信号大小和探测器位置信息重建出原初粒子的方向、能量和芯位。高能原初粒子进入大气后形成的级联簇射过程通过蒙特卡洛模拟（CORSIKA）来实现,我们选用了两种强相互作用模型EPOS-LHC和QGSJETII-04,包含5种宇宙线组分,分别是质子（Proton）、氦核（He）、碳氮氧（CNO）、镁铝硅（MgAlSi）和铁核（Fe）,模拟数据原初粒子从1013到1017eV按E-2能谱分能段产生。探测器模拟部分使用的是基于Geant4发展的G4KM2A模拟。实验数据选用2020年7月-8月的数据,考虑到探测器响应不同、电子学插件差异等因素需要对每台探测器进行电荷标定、时间标定,同时需要检测每台探测器的运行状态,为物理分析提供较好的数据。测量大气簇射中膝区宇宙线的平均质量,是根据缪子探测器记录的Nμ推导出ln（A）,其中Nμ表示距离簇射芯位40-200 m环内单元探测器记录的μ子数目之和,排除距离簇射芯位40 m内的探测器是为了降低高能电磁粒子穿透土层带来punch-through效应的影响。大气簇射中次级粒子数目是通过NKG拟合得到Nsize,我们通过对比实验数据和模拟数据中得到的电磁粒子Nsize和缪子成分Nμ分布,结果表明电磁粒子探测器和缪子探测器的工作性能与模型预期的一致,模拟结果也能较好的描述探测器的行为。根据KM2A同时测量的Nsize和Nμ构造一个新变量Nμe重建能量,可以降低能量与组分的依赖关系。本论文通过分析KM2A四分之一阵列的缪子探测器信号,得到了能量几百TeV到几十PeV范围内宇宙射线的平均缪子数,与模拟中的质子和铁核的平均缪子数比较,在30 PeV之前没有发现缪子含量超出。我们利用缪子探测器探测的缪子含量,以及模拟中5种宇宙线组分ln（A）与ln（Nμ）拟合关系推导出不同能量区间内宇宙线的平均质量ln（A）,在几个PeV处宇宙线组分开始变重。我们也对比了不同模型之间的差异,会给平均质量的测量带来最大8%的差异,不同能谱模型会给测量平均质量带来最大4%的差异。
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