Transcript 利用LHAASO混合探测宇宙线膝区

高能物理学会第八届全国会员代表大会暨学术年会（南昌）
利用LHAASO混合探测宇宙线膝区
马欣华
中国科学院高能物理研究所
2010年4月19日
内容
• 宇宙线膝区物理
• 羊八井实验探测膝区现状
• 羊八井实验的未来：LHAASO计划
与膝区的混合探测
• 总结
宇宙线膝区物理：全粒子谱
1958年, Kristiansen和 Kulikov 在AS实验中发现, 宇宙线总粒子谱有个
膝: 在几个PeV幂能谱变陡, 由 -2.7 到 ~ -3.0。直到现在，对膝的观测
和理论解释仍然非常活跃。
宇宙线膝区物理：膝的成因
几种主要观点:
1. 银河宇宙线加速源的 Emax 限制
2. 银河系对高能宇宙线的约束失效
3. 银河系附近的AGN源
4. 太阳系附近的SNR加速源
5. 高能强子作用特征的改变或新粒子的产生
检验或分辨这些模型, 需要知道膝区宇宙线各个成分的能谱:
1-2：质子的拐点若在 ~100 TeV, 膝区成分应以重核为主; 质
子的拐点若在 >1000 TeV, 膝区成分应以轻核为主; 其
它成分的拐点应有Z依赖;
3： 膝区成分应以质子为主;
4： 膝区的全粒子谱应有凸起状结构;
5： 不同成分能谱的拐点应有A 依赖。
宇宙线膝区物理：膝的成因
WANG Bo，et al., [astro-ph.HE] 31, 1003.4202v2
年轻的SNR产生的宇宙线原子核与近源光子发生对产生相互作用，因损失
而得到“膝”→精细结构以及component B，而且能够解释ATIC等观测到的
e+e-的超出
宇宙线膝区物理：已有的实验
羊八井
ICE-TOP
EAS-TOP
Tunka
KASCADE
grape3
Yakutsk
CASA-MIA
BLANCA&DICE
Chacaltaya
Tienshan
Akeno
gamma
宇宙线膝区物理：已有的实验的特点
• 多为混合探测，得到多个观测量：电子，
μ子，强子，γ family，Č 。
• 或者阵列排布面积较小，事例统计量不
够；或者有效探测面积较小，测量不够
精细；或者海拔太低，不适宜观测膝区。
如果不能同时满足这些要求，就很难得
到精确的宇宙线膝区能谱和成分。
宇宙线膝区物理：膝的成分
至今所有AS实验都观察到膝的存在, 无一例外。但是由于测量
精度不同，而且对强子作用模型有依赖，膝的位置及形状,以及
成分的能谱在已有
的各观测结果之间
差异在30%左右。
Tibet ASγ Collaboration / Physics Letters
B 632 (2006) 58–64
A. Haungs et al. / Nuclear Physics B (Proc.
Suppl.) 151 (2006) 167–174
Petrukhin,icrc0884
宇宙线膝区物理：小结
宇宙线的起源和加速机制是粒子天体物理的一个基本问题，
而膝区是对这一问题十分敏感的区域。众多理论模型试
图对膝区的成因加以解答，
这些理论正确与否将取决于宇宙线膝区能量、成分的精确
观测。由于在膝区宇宙线流强很低，空间直接测量受到
曝光量的限制而只能到膝前区，因而膝区和膝后区只能
依靠地面阵列的间接混合测量—宇宙线与大气原子核作
用产生的次级粒子的广延大气簇射(EAS)测量。
初级粒子成分的不确定性与强子作用的不确定性―膝区宇
宙线研究的 “二义性” 困扰仍然存在。
羊八井实验探测膝区现状
中日ASγ
中意ARGO-ybj
大气簇射的纵向分布
Tibet ASγ Collaboration /
Physics Letters B 632
(2006) 58–64
羊八井在膝区物理研究方面的基本优势是处于高海拔4300m，
尽可能接近膝区宇宙线和大气粒子的第一作用点，同时又在
簇射极大点之下，从而降低重建的不确定性，降低对强相互
作用模型的依赖。
羊八井实验探测膝区现状：ASγ
羊八井实验探测膝区现状：ASγ
proton
M. Amenomori et al. , The Astrophysical Journal, 678:11651179, 2008
Tibet ASγ Collaboration / Physics Letters B 632 (2006) 58–64
Helium
羊八井实验探测膝区现状：ASγ+YAC+MD
Pb
7 r.l.
Iron
Scint.
Box
1.
2.
3.
16 detectors(AS+YAC): interaction model check, forward region
100 detectors(AS+YAC+MD): proton & He spectrum
400 detectors (LHAASO-SCDA): Fe spectrum
羊八井实验探测膝区现状：ARGO
1.8ns
1RPC →2 “Big Pads” (1.4×1.25 m2)
羊八井实验探测膝区现状：ARGO
ARGO的独特性：近芯区测量
MC Proton
MC Fe(初能是左图的近十倍)
羊八井实验探测膝区现状：ARGO
灵敏的参数选择
Nbp / the mean lateral spread radius / density ratio
R80/ the slope of the conical shower front: sfront
羊八井实验探测膝区现状：ARGO+CRTNT
Wide Field of View Cerenkov Array (WFCA)
4300m a.s.l
CRTNT @ YBJ
Cerenkov telescopes
ARGO hall
50m
羊八井实验探测膝区现状：小结
• 羊八井实验（中日ASγ，中意ARGO）在宇宙
线膝区研究方面已经作了十几年的研究，取得
了显著的进展，并且在不断地改进升级，预计
不久就会有新的研究结果产生；
• 羊八井实验实际已经走在混合探测的道路上，
未来的研究计划中必然要着重考虑混合探测的
可行性和优越性。
羊八井实验的未来，LHAASO计划
与膝区的混合探测
LHAASO计划：高海拔+大面积+混合探测
• KM2A (1km2 array ):
– ED(electron detectors),
5000m2
– MD(muon detectors),
40000m2
• WCDA(water Cherenkov
detector array), 90000m2
• WFCA(wide field Cherenkov
array), 24 telescopes
• SCDA(shower core detector
array), 5000m2
羊八井实验的未来，LHAASO计划
与膝区的混合探测：优势
• LHAASO计划中的阵列铺设面积为1km2，是
ASγ-Tibet的27倍，电子/光子探测器阵列(ED)
探测器总面积是ASγ-Tibet的6倍，还有大面积μ
子探测器阵列(MD、WD)、大气荧光暨契伦科
夫探测器阵列(CT)和簇射芯探测器阵列。
• 这些分阵列各自探测宇宙线次级粒子中的电子/
光子数分布Ne、μ子数分布Nμ，最大簇射深度
Xmax(Č)，以及代表簇射芯区高能γ的能量和数
量的测量量。
• 集成这些观测手段，可在50TeV到500PeV的能
量范围内精确测量原初宇宙线的能量和成分。
羊八井实验的未来，LHAASO计划与膝区的
混合探测：初步的模拟
用KM2A(SD+MD) +Xmax( directly from Corsika)
得到的混合观测膝区初步的物理结果
–
–
–
–
Corsika version 6.616
QGSJETII-GHEISHA
Primary energy: 10TeV to 10PeV
The composition of primary nuclei
• light nuclei (LN): H+He
• moderate nuclei (MN): CNO+MgAlSi
• heavy nuclei (HN): Fe
– Zenith angle :0-45°
– Azimuthal angle is 0-360°
– Observation level is at Yangbajing.
羊八井实验的未来，LHAASO计划与膝区的
混合探测：初步的模拟结果
• primary spectrum
total
particles
LN
MN
HN
• efficiency
轻成分在大于50TeV时
效率达到80%以上
重成分在大于100TeV
时效率达到80%以上
羊八井实验的未来，LHAASO计划与膝区的
混合探测：初步的模拟结果
• angular resolution
轻成分在50TeV和1PeV处
角分辨分别是0.6°和
0.4°
重成分在50TeV和1PeV处
角分辨分别是0.8°和
0.4°
• position resolution
轻成分在50TeV和1PeV处角
分辨分别是11m和6m
重成分在50TeV和1PeV处角
分辨分别是25m和8m
羊八井实验的未来，LHAASO计划与膝区的
混合探测：初步的模拟结果
• E0 measurement
N e  N e N 
E0  2.7 103 Ne2.34
• energy resolution
轻成分在200TeV和2PeV分
别达到30%和23%。
重成分在200TeV和2PeV分
别达到27%和20%。
羊八井实验的未来，LHAASO计划与膝区的
混合探测：初步的模拟结果
• composition
discrimination
轻成分的效率为82.0%，
纯度为80.7% 。
重成分的效率为26.9%，
纯度为70.1%。
羊八井实验的未来，LHAASO计
划与膝区的混合探测：小结
• 占据着羊八井的地缘优势，LHAASO计划为宇
宙线膝区的精确混合探测提供了良机；
• 初步的模拟已经显示出LHAASO计划在宇宙线
膝区观测方面的可行性；
• 下一步的模拟，将以5000m2芯探测器为核心，
协调各种探测器的复合，实现高精度混合观测
宇宙线膝区物理的目标。
总结
• 宇宙线膝区物理经历了五十年的风风雨雨，
仍然有待于突破;
• 羊八井实验在宇宙线膝区物理方面已经取得
丰硕成果，并且仍在不断努力创新;
• 羊八井实验的未来计划将有利于实现高精度
混合观测宇宙线膝区物理的终极目标。