大气荧光阵列（WFCA）对第二膝的测量可行性研究以及样机的数据分析 刘加丽 曹臻 LHAASO：WFCA实验组 2010年4月19日 中国科学院高能物理研究所 粒子天体重点实验室 中国物理学会高能物理分会第八届学术年会 南昌大学前湖校区

主要内容 WFCA的物理目标概述 WFCA阵列的模拟研究 WFCA样机实验概况及物理目标 样机实验的数据分析 总结与讨论

主要内容 WFCA的物理目标概述 WFCA阵列的模拟研究 WFCA样机实验概况及物理目标 样机实验的数据分析 总结与讨论

WFCA的物理目标概述 宇宙线的能谱细致结构：膝，第二膝，踝，GZK截断 WFCA的物理目标之一： 能量范围：lgE 16.6-18.0 LHAASO:FD 宇宙线的能谱细致结构：膝，第二膝，踝，GZK截断 WFCA的物理目标之一： 能量范围：lgE 16.6-18.0 测量第二膝: 确定其精确位置及细致结构。

WFCA的物理目标概述 现有的实验对第二膝的成份测量结果较少。 HiRes/MIA用大气簇射中µ的含量信息测量宇宙线成份，测量结果表明现有的模型不能产生足够多的µ，模型需要做修正。 WFCA物理目标之二：用复合的方法测量第二膝的成份，并且为现有作用模型的修正提供实验测量依据。

广延大气簇射（EAS）介绍 hadronic component electromagnetic component Nmax Xmax hadronic component electromagnetic component muonic component Cherenkov/fluorescence component

主要内容 WFCA的物理目标概述 WFCA阵列的模拟研究 WFCA样机实验概况及物理目标 样机实验的数据分析 总结与讨论

WFCA探测器设置 1-16 W1-4 E1-4 4 km 10 km Tower: 16 ( 4x4 rings) mirrors. Trigger: FD1 + FD2 (or FD3) Tower: 16 ( 4x4 rings) mirrors. elevation: 3o-59o (56o) azimuth : 58o-122o (64o) West: 4 (2x2 rings) mirrors. elevation : 17o-45o (28o) azimuth : -16o-16o (32o) East: 4 (2x2 rings) mirrors. elevation: 17o-45o (28o) azimuth : 164o-196o (32o)

WFCA探测的模拟事例

探测事例的选择（一） 为了保证数据重建的质量，对数据做以下选择: 1）去掉望远镜上所成的像在拐角处的事例。 2) 光电倍增管与事例主轴所成的夹角大于20o. 3) 径迹的长度大于10o. 4) 像的信号加权重心与镜子边缘的角距离大于3o. 5) 簇射极大Xmax的位置须位于望远镜视场内。 事例的选择既保证了对成份 测量参数Xmax的重建精度， 又保证了对Xmax测量较小的 探测偏差。

Event rate 为保证能谱测量中能有较平的探测有效面积，对事例做了进一步的几何限制。 1) 16.6<lgE<17.0 Rp<5.5 km 2) 17.0<lgE<17.4 Rp<7.0 km 3) 17.4<lgE<17.8 Rp<8.0 km 4) 17.8<lgE<18.3 Rp<8.0km 事例数概况 energy No cut Cut1 Cut2 lgE>16.6 106672 60807 48112 lgE>17.0 36112 17703 14282 lgE>18.0 596 218 162 Event rate

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WFCA样机实验概况 50m WFCA样机由7个子系统组成： 机械系统 光收集系统 5m2的反射镜，镀MgF2增透膜，反射效率高于82%。 WFCA @ YBJ WFCA样机由7个子系统组成： 机械系统 3.0m × 2.5m × 2.3m的海运集装箱，镜子仰角由底部的液压杆控制（0o-60o）。 光收集系统 5m2的反射镜，镀MgF2增透膜，反射效率高于82%。 成像系统 256个视场为1ox1o的PMT排成16x16的阵列，总视场为14ox16o。 电子学系统 50MHz的FADC记录PMT测量到的脉冲信号。 事例触发和数据采集系统 三级触发：PMT触发，望远镜触发，事例触发。 标定系统 LED标定:相对标定和绝对标定。 慢控制系统 望远镜的姿态控制，开关门，高低压供电，以及状态监测。本地操作和远程控制。 50m Hybrid observation: WFCA & ARGO

WFCA样机实验概况 运行状态： 数据处理 物理目标: ARGO-YBJ实验阵列以及探测器结构 2008年10月开始稳定运行，到现在收集到500,000立体数据，700,000单眼数据。 数据处理 与ARGO-YBJ实验进行联合观测，事例GPS时间符合精度约为100ns。 物理目标: -- 大于30TeV的宇宙线能谱和成份研究。 -- 在空间实验与地面实验测量之间建立一个连接桥梁。 ARGO-YBJ实验阵列以及探测器结构

WFCA样机的观测事例

实验测量参量的分布 ARGO Two prototypes Telescope field of view

主要内容 WFCA的物理目标概述 WFCA阵列的模拟研究 WFCA样机实验概况及物理目标 样机实验的数据分析 总结与讨论

能量重建—查表方法 Cherenkov光子产额正比于带电粒子的数目，在某一观测面一定芯距处测量到的光子总数与原初粒子能量有很强的关联。 查表方法：通过模拟建立原初能量E，簇射离探测器的距离Rp和观测到的总光子数目Npe的关联表格，根据测量事例的Rp和Npe，即可得出原初能量。 在能量大于30TeV时，ARGO-YBJ的几何重建精度为：芯位 <2米， 角度 <0.4度。

能量重建精度 & 能谱初步结果

Cherenkov角分布 .vs. Xmax

观测平面收集到的Cherenkov光子来源

Xmax重建—像角分布的拟合（1） 找到信号最强的管子，其它的管子与最大信号管子之间形成一个夹角。 相近角距离处的信号做平均。 用指数函数拟合，得到表征角分布的参数—index。

Xmax重建—像角分布的拟合（2） 把像投影到垂直簇射探测器的平面上。 找到信号最强的管子，其它的管子与最大信号管子之间形成一个夹角。 相近角距离处的信号相加。 用线性方程拟合，得到表征角分布的参数—slope。

Xmax重建 Xmax与slope的关联 事例的选择

Xmax重建初步结果 Xmax分辨率约为50g/cm2，两台探测器的重建差值小于20g/cm2。 DICE实验Xmax分辨率约为70g/cm2。

总结与讨论 WFCA阵列对第二膝的能谱和成份测量是可行的。 WFCA样机用广角Cherenkov技术测量10TeV以上的能谱和成份。 成份分析上，Xmax的分辨率小于50g/cm2。 WFCA阵列模拟中，计划加入LHAASO地面阵列µ 的信息，簇射几何重建实现复合测量，成份分析实现多参数测量。 样机实验成份分析中加入ARGO测量的次级粒子横向分布信息，实验成份的多参数，多变量测量。

谢谢！

lgE no cut cut1 cut2 17.0 9838.2 5449.8 4704.8 HiRes Stereo 17.1 7480.7 3714.6 2994.9 18.25 190 17.2 5704.1 2761.1 2092.6 18.35 172 17.3 4055.1 1940.1 1410.0 17.4 2866.7 1293.9 1091.8 17.5 2043.7 912.0 752.8 17.6 1416.2 578.2 456.3 17.7 937.5 376.6 292.7 17.8 654.3 256.3 196.4 17.9 436.6 168.4 127.6 18.0 281.6 106.8 79.5 18.1 191.6 66.5 49.3 18.2 123.1 44.7 33.3 >=17.0 36112 17703 14282 >=18.0 596 218 162