羊八井AS γ地下muon探测器实验进展 钱祥利 山东大学、中科院高能所 2014年4月21日 2014/4/21 武汉

主要内容 实验物理目标 探测器介绍 数据获取系统介绍 探测器性能 总结与展望 Asγ实验及muon探测器 分辨率、不均匀性、长期稳定性 2014/4/21 武汉

宇宙线的起源、加速和传播 标准的起源和加速理论：剧烈天体演化所产生的激波； 传播：各向异性等研究 “标准烛光”蟹状星云是一个典型的电子源 宇宙线的起源加速和传播问题可以通过这个示意图来描述。广为大家接受的理论认为宇宙线起源和加速于剧烈天体演化所产生的激波。由于存在星际磁场，加速后的宇宙线粒子在传播过程中会丢失原先的方向信息，从而最好的研究起源的方法是观测中性粒子，比如伽玛或中微子，（但这样的方法只适用于正在加速之中的宇宙线的源）。 现在已经观测到很多的伽玛源，这些伽玛都可以被解释为高能电子的辐射。比如这是“蟹状星云”的全波段电磁辐射谱，其双峰结构是电子辐射的典型特征。占主导地位的原子核也应该在这些地方被加速，但直接的证据还没有得到。 ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 另一方面，对于古老的宇宙线的研究只能靠对宇宙线自身的观测了。各向异性的观测则可以获得大量有关宇宙线传播的知识。我们在1.2和2上都做出了国际先进水平的工作. 标准的起源和加速理论：剧烈天体演化所产生的激波； 正在加速的源以观测γ最为有效，迄今成百上千个γ源都是电子源，核子源没找到； 古老源（>百万年）需要观测宇宙线自身（遗迹）； 传播：各向异性等研究 2014/4/21 武汉

宇宙线强子起源的证据： 100TeV能区伽马射线的发射 TeV J2032+4130 (~5% Crab) 这是一个在ybj视场的tev源，从观测到的数据来看，可以用轻子来解释。电子过程受同步辐射和KN效应的影响，在100TEV能区已没有很强的GAMMA辐射。 与电子的辐射不同,宇宙线核子通过强相互作用产生的PI0衰变而生成的GAMMA的能谱，只有高能成分；在高能区很有可能观测到。 因此急需展开100TeV能区伽马射线的观测。 γ的产生机制： 轻子起源：韧致辐射、同步辐射、逆康普顿散射； 强子起源：P + P  π±+ π0 +… e± + ν + γ + … 2014/4/21 武汉

10TeV以上能区国际最灵敏的γ/电子探测器 中方独立承担一组900平方米地下 Muon探测器（MD-A）的研制与运行 MD(12个)面积：10800m2 MD-I(5个)面积：4500m2 MD ~10,000m2 MD-A 现有的asgamma表面探测器，目的就是为了排除宇宙线本底，r/p分辨 AS+MD全阵列，成为全（北）天区>10TeV灵敏度最高的γ天文望远镜 5

MDA探测器研制 muon 探测器设计： 采用水切伦科夫技术 地下 2.5m ( ~ 19辐射长度) 12个单元构成 (每个单元16个水池) 水池大小7.2m×7.2m×2m 装有20英寸PMT、大型密闭水袋 探测器内部结构示意图 1.9m 7.2m 7.2m×7.2m × 1.9m整体密封的水袋 2014/4/21 武汉

MDA完成了16个水池的安装和测试工作 铺设衬底和水袋 水池清理及PMT安装 水净化系统注水 电缆走线示意图 MDA 控制室 2014/4/21 武汉 水净化系统注水 电缆走线示意图

PMT基本性能测试 LED光源经teflon弥散 拟合函数：指数+高斯 ADC分辨率：0.1pC/count 2200V gain: 3.0375e+07 2000V gain: 6.49812e+07 2200V gain:1.4475e+08 SPE测试 PMT(R3600-06)不同高压下的SPE谱 2014/4/21 武汉

PMT基本性能测试 以2200V为参考电压 β= 8.7 高压范围：1200V-2400V（步长100V） 拟合函数：μ=A.Vβ 高压响应 绝对增益 hv: 1840 gain: 3.0375e+07 hv: 2000 gain: 6.49812e+07 hv: 2200 gain: 1.4475e+08 相对增益 hv: 1200 gain: 671035 hv: 1300 gain: 1.43012e+06 hv: 1400 gain: 2.87342e+06 hv: 1500 gain: 5.47653e+06 hv: 1600 gain: 9.86368e+06 hv: 1700 gain: 1.69492e+07 hv: 1800 gain: 2.83215e+07 hv: 1840 gain: 3.35469e+07 hv: 1900 gain: 4.44918e+07 hv: 2000 gain: 6.86684e+07 hv: 2100 gain: 1.01668e+08 hv: 2200 gain: 1.4475e+08 hv: 2300 gain: 1.99684e+08 hv: 2400 gain: 2.71339e+08 β= 8.7 高压范围：1200V-2400V（步长100V） 拟合函数：μ=A.Vβ 高压响应 2014/4/21 武汉

MDA数据获取及相关电子学 MDA数据获取示意图 共16路PMT信号 采用TDC、ADC、甄别器、高压等插件， TDC分辨0.8ns/bin，ADC分辨0.1pC/bin 表面阵列给出trigger信号，触发率~1.7kHz，数据量10G/day GPS触发板（接收trigger信号，给出GPS时间） 2014/4/21 武汉

单muon波形图 单μ信号宽度：~750ns 上升时间：~80ns 幅度：~几十mV 2014/4/21 武汉

单muon 的测试 MDA与07年原型探测器对比 MDA各个水池测到的单μ谱 MD-A单Muon分辨率（FWHM）为34%，而07年原型探测器则大于70%； 光电子数为07年原型探测器的17倍，约300多个光电子； 2014/4/21 武汉

位置均匀性测试 不同位置处得到的单Muon峰值差别<6% A B C D pool Soil Scintillation counters 2.9m Site A 不同位置处得到的单Muon峰值差别<6% 2014/4/21 武汉 测试系统示意图

长期稳定性的监测 监测时间2013.11.22 – 2014.3.7 Tank1 注完水一个月之后，单μ信号的变化情况 信号下降~3%，之后趋于稳定 2014/4/21 武汉

宇宙线shower事例的探测与重建 挑选出MDA不少于4路探测器着火，利用平面拟合进行方向重建 重建出的天顶角分布 重建出的方位角分布 拟合函数 2014/4/21 武汉

宇宙线shower事例的探测与重建 其中一个事例，theta=23.8° 2014/4/21 武汉

总结与展望 单元探测器的性能测试表明 MDA已经正式运行，进行shower事例的重建 MDA探测器明显优于07年Prototype探测器 单Muon分辨率达到30%，光电子数在300个左右，具有很好的位置均匀性 信号长期稳定性好 MDA已经正式运行，进行shower事例的重建 AS γ表面阵列正在恢复运行中，期待更多联合运行的数据，早日取得更多的物理结果。 2014/4/21 武汉

谢谢大家！ 2014/4/21 武汉

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模拟结果对比 水吸收长度的确定： 模拟参数： 440nm时，70m， 325nm时，28m； 其他实验结果： Super-K：420nm，98m Milagro：325nm， 水池15m，tank5m

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