Transcript 于泽源高能所： 基于大亚湾实验的原初宇宙线研究

基于大亚湾中微子实验
的原初宇宙线研究
于泽源
高能物理研究所
2014-04-21
中国物理学会高能物理分会第九届全国代表大会，华中师范大学，武汉，2014
从中微子出发
中微子振荡的分析给出了sin22θ13和ΔM2ee
的测量结果
开始探索中微子以外的可能物理课题
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到宇宙线研究（1）
• 大亚湾实验三个实验厅，具有不同
的山体覆盖厚度
• 每个实验厅均有RPC探测器阵列
• 阵列由2m*2m的RPC模块组成，每个
模块有四层RPC，通过25cm宽的XY
读出条读出信号
• RPC探测器阵列可以测量一个大气
簇射中的muon数目
• 理论最高测量数目可达~3000
• 最终可以测量不同山体覆盖厚度时
的muon多重度，进而限制原初宇宙
线的成分
实验厅 山体覆盖厚度 RPC面积
280 m.w.e.
12m*18m
一号
300 m.w.e.
12m*18m
二号
880 m.w.e.
18m*18m
三号
3
A primary particle
到宇宙线研究（2）
Two secondary particles
• 长距离关联宇宙线的寻找
• 两个实验厅（间隔1km到
1.5km），同时观测到两个大气
簇射
• 此类事例起因尚未有明确解释
• 过去实验仅观测到几个事例
实验厅
一号
二号
三号
一号
0m
二号
989m
三号
1576m
0m
1077m
0m
Two air
showers
1号实验厅
3号实验厅
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地下muon多重度的测量
• 过去若干实验均进行了地下muon多重
度的测量，相比于地面实验
• 大气簇射中的电磁成分完全被岩石吸收
• 所测得的muon具有一定能量阈值
L3+C实验不同
muon多重度对应的
原初宇宙线能量
• LEP：CosmoALEPH，L3+C，DELPHI
• Gran Sasso：Marco
• LHC：ALICE 等
• L3+C的模拟显示，地下30m时，大于
15的muon多重度即对应原初宇宙线能
量超过1PeV
• 实验灵敏能区100TeV到10PeV（膝区）
• 模拟中，基于不同配置（簇射中不同的
强相互作用模型，不同的宇宙线成分）
产生模拟数据，通过数据和模拟的比较
确定哪种配置最为合理
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地下muon多重度的测量
• 过去实验的结果并不一致
• CosmoALEPH实验：
• 在高多重度时，数据相对于全Fe核的模拟仍有
超出
• 说明强相互作用模型需要修改，或宇宙线中存
在未知粒子
• DELPHI、ALICE、EMMA等实验均观测到该
超出
CosmoALEPH
• L3+C实验：
• 更大统计量下未观测到此超出
• 数据支持膝后区，宇宙线成分变重的假设
• 该研究方向在100m左右深度需要其他实验
提供校验，需要在不同深度的测量结果
L3+C
• 在大亚湾实验开展该测量的目标
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地下muon多重度的测量
• 大亚湾实验开展该测量的优势
• 天然的
• 3个实验厅处于不同深度，所测量的
muon能量阈值不同，对应的原初宇
宙线能区也有不同
• 实验配置的
• RPC探测器使用XY二维读出，一个
2m*2m的模块理论上最大可以测量
64个muon
EH1
EH2
EH3
• 劣势
• 多重度大时，无法重建muon径迹
• RPC硬件噪声的干扰
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地下muon多重度的测量
• 初步测量结果
• RPC一个模块作为一个muon，不对模块内
XY读出做进一步挑选
• 三号实验厅山体覆盖更厚，RPC面积更大，
故高多重度事例的比例更高
• 一二号实验厅山体覆盖类似，RPC面积相同，
具有相似的多重度分布
• 进一步的工作
EH1
EH2
EH3
• 精细的数据分析工作，本底扣除
• 模拟数据相关的研究：
• 大亚湾实验对宇宙线成分研究的的灵敏度分析
• 数据和模拟的对比
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地下长距离关联宇宙线的寻找
• LEP上CosmoALEPH和L3+C的联合
寻找
• 两个实验间距6km
• 中间分布着若干小型宇宙线观测站
• 因两个实验相对时间刻度的问题，只观
测到三个时间、空间方向都关联的事例
LEP
• 日本LAAS实验
• 地上实验，间距1.1km到997.2km
• 只观测到几个关联的事例
LAAS
• 大亚湾实验可以在地下有效的开展
关联宇宙线的寻找
• 探测器覆盖面积较大
• 取数活时间长
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地下长距离关联宇宙线的寻找
• 第一种寻找方法
• 两个实验厅的RPC探测器均有超
过N个模块着火
• 在前后20us的符合时间窗内寻找
两个实验厅的关联事例
EH1-EH2的关联事例数
• 改变模块着火数cut（5-13），
观测到的关联事例数目和偶然
符合预期均在1σ内符合
• 没有发现超出偶然符合本底的
长距离关联宇宙线
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地下长距离关联宇宙线的寻找
较好的muon
径迹重建能力
Muon<6
• 该方法下一步的计划
• 1、优化RPC数据的分析算法
• 2、在低muon数目时，使用
muon径迹重建的信息，压低偶
然符合本底，以寻找时间、空
间方向都关联的事例
较差的muon
径迹重建能力
Muon: 6-9
无muon径迹
重建能力
Muon>9
EH1-EH2的关联事例数
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地下长距离关联宇宙线的寻找
空间关联
时间关联
• 第二种寻找方法
• 两个实验厅的中微子探测器均有muon
穿过，且muon径迹长度超过2m
• 发现了两个实验厅之间时间、空间
方向均关联的事例
• 事例来自同一个方向，且接近水平
入射（θ~72 degrees）
• 与大亚湾实验的山形对照后，发现入
射方向均为山体较薄的方向
• 这些事例是由山体几何因素带来的
EH2
EH1
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到宇宙线的研究（3）
• 利用大亚湾实验探测器可以开展的其他研究?
• 希望从事宇宙线工作的同仁提出宝贵的意见
• （来自黄晶研究员的意见）将RPC模块沿实
验隧道依次排开，形成一个长度1km-2km的
阵列
• 可以对原初宇宙线能量进行重建
• 可以在大亚湾实验运行结束后，将RPC探测器按
照此方案利用，开展研究
• 欢迎更多的实验设计以及其他和宇宙线相关
的物理课题
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总结
• 在中微子物理外，大亚湾实验开始考虑新的物理课题
• 计划开展地下宇宙线研究，包括
• 不同深度的muon多重度测量
• 两个实验厅之间长距离关联宇宙线的寻找
• 一些初步结果显示了大亚湾实验具有展开上述研究的能力
• 进一步的数据分析正在进行中
• 希望得到从事天体粒子工作的同仁的意见和建议
• 也希望各位同仁对大亚湾实验运行结束后，如何利用探测器以及地下
实验室开展宇宙线研究提出更多更好的建议！
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