粒子天体物理未来规划 的一些考虑 曹臻 高能所，北京，2014-12

内容 宇宙线的基本问题具有突破潜力的研究方向 目前的观测设备和近期将要实施的骨干实验 潜在的研究方案 Gamma天文 超高能中微子 极高能宇宙线 目前的观测设备和近期将要实施的骨干实验 潜在的研究方案 大型国际合作项目

2002年美国国家研究委员会 2004年美国国家科学技术委员会 自从V. HESS在1912年发现宇宙线以来， 宇宙线的起源问题一直困扰着整个科 学界，成为粒子物理学、天文学、宇 宙学共同关注的重要科学命题。 探索新物理前沿 开展暗物质研究，超越加速器物理能 标之上的新物理问题，量子引力效应 或Lorentz 对称性破缺效应等研究。 宇宙线研究科学目标 宇宙线物理的核心问题 ——寻找高能宇宙线起源 2002年美国国家研究委员会 2004年美国国家科学技术委员会 确定的研究前沿: 《连接夸克和宇宙： 新世纪11个科学问题》

宇宙线起源和加速的关键是确定源天体 几乎不能用宇宙线自己来找，除非能量很高，有点难 中微子最好、最干净，很难 伽马射线源最成熟，有望突破 GeV源~3000个， TeV源~150， >10GeV伽马暴: 几个

未来十年内….. 核心问题 UHE宇宙线起源 EHE宇宙线物理 AUGER，TA VHEγ天文学 LHAASO CTA 空间直接测量 50km 未来十年内….. CTA EHE宇宙线物理 AUGER，TA 核心问题 UHE宇宙线起源 VHEγ天文学 LHAASO CTA 空间直接测量 DAMPE IS-CREAM CALET AMS HERD 5km VHE/UHE中微子天文学 ICECUBE，KM3 ARIANA，PINGU

国际上的几个骨干实验 伽马天文： 中微子实验： 极高能实验： LHAASO（2015年立项，中国，法国，意大利，俄国，~100人） CTA（未来，德国等十多个国家，>1100人） 中微子实验： IceCube（运行7年，美国等5~6国家，~300人） KM3Net（部分运行，法国、意大利等5~6国家，~150人） 极高能实验： AUGER（运行10年，美国、德国等18个国家，~500人） TA（运行7年，美国、日本、俄国，~100人）

未来战略的基本态度 未来5年专心做好LHAASO！ 开展必要的R/D，做些准备工作 鼓励各种尝试，酝酿好的发展方向 潜在的研究方案：

Gamma天文 超高海拔（>5000米）广角Cherenkov望远镜阵列 大型Cherenkov望远镜（LHAASO-ext） 南天区巡天扫描计划

1.透镜方案：水透镜——初步模拟结果 有效面积模拟结果 口径：3000mm 有效口径：2150mm 焦距：6414mm 视场：40o×40o （感谢高能所蔡晖和王振所做的模拟）

透镜方案：水透镜 水球透镜：不同角度入射的成像精度一致 光圈 0°和20°入射 0.5°光圈 0.1°光圈 带准直器的PMT 单位口径光圈效率优化 0.5°光圈 0.1°光圈 水球透镜：不同角度入射的成像精度一致

2. 高灵敏度定点观测 Very deep field 候选点源 巡天观测在灵敏度上的挑战

国际在建大型切伦科夫望远镜阵列分布 CCTA 西南地区位置特殊，建造阵列，加入国际联测和研究竞争

云南省候选站点： 降雨量最少：<400毫米 晴天数最多：>2500小时/年 平均海拔：2000米 地理纬度：25度左右

已知的151 TeV gamma ray Sources 3. 南天球巡天扫描观测计划 已知的151 TeV gamma ray Sources

很强的motivation 成熟的技术 优良的站址： 阿根廷安第斯山区 4000~5000米富于水 资源的候选站址

超高能中微子探测 Cherenkov望远镜阵列 TRENDGRAND：微波探测计划

Birth of neutrino astronomy IceCube 2012&2013 Milestone in astronomy&astrophysics but: Angular reconstruction for shower events ? ~1 event/year above 250TeV => DecaCube

1. -neutrinos? Oscillation helps CRTNT : Cosmic Ray Tau Neutrino Telescope Detect shower from , which comes from Earth-skimming  1/8-10/2007 M.A. Huang

Full Scale CRTNT Exp. 4 stations, each has 4 telescopes, UHECR covering 1464 field of view. Site: Balikun, Xingjiang, China Energy range: E > 100TeV for neutrino, and E > 0.1EeV for UHECR. UHECR Mountain-passing  event Earth-skimming  event C

The total detection efficiency of tau neutrinos from AGN is 1.4x10-5 The expected event number per year is 8~10 events A duty cycle of 15% & 4 sites are assumed considering a possibility of running with moon partially

2. Radio Detection of Neutrinos from Behind the Tianshan Mountain Detection mechanism for the tau Neutrino (nt): Earth-skimming nt penetrates the Earth nt interacts in rocks to produce tau lepton (t) t propagates in rocks t escapes the Earth and decays in the atmosphere Extensive Air Shower (EAS) generated in the atmosphere Antennas detect the radio signal from the EAS

A radio telescope dedicated to neutrino detection Toy setup: 90’000 antennas deployed over 220x270km² in Tianshan Giant Radio Array for Neutrino Detection (GRAND) Tianshan mountains 60’000km²

GRAND neutrino sensitivity PRELIMINARY GRAND : 90% CL limit assuming 0 candidates in 3 years threshold = 3 1016eV F = F0E-2 spectrum Tens of GZK n /year expected! GRAND could reach 5-10x better sensitivity than Antartica projects. Angular resolution better than 0.1°. To be confirmed/optimized with full MC.

大型国际合作 北半球AUGER计划

Combined energy spectrum ICRC 2013 761 events above 1019.5 eV, 4 above 1020 eV

Anisotropies Correlation of arrival direction with AGN catalog E>55 EeV, 3.1°, Dmax 75 Mpc First published November 2007, Science. AGN correlation is now weaker than first indicated but is still present. Correlation study of ultra-high energy events with the directions of nearby AGNs of the Véron-Cetty–Véron (VCV) catalog: 106 events with energies above 5.5 1019 eV, out of which 33 (31 %) arrived from a direction of less than 3.1° from a nearby AGN. ICRC 2013 The Pierre Auger Collaboration, Astroparticle Physics 34 (2010) 314–326

Exposures

探测超高能宇宙线 有效面积:百万km2 视场:60o张角 × 预计2017/18年发射

Possible site in China? Located in Hami district, northeast of Xinjiang, Balikun Grassland is the second largest grassland in Xinjiang Altitude 1500 m Area 200 x 100 km2 Latitude 40° (similar to Colorado) Dry area Cold winter: Last Monday during day -2°C, during night -14°C

Conclusion 未来5年专心做好LHAASO！ 广泛尝试，开展R/D 超高能中微子、甚高能伽马、极高能带电粒子都是有望突破的领域 酝酿好的发展方向和方案