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 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: 银河宇宙线加速源的 Emax 限制 银河系对高能宇宙线的约束失效 银河系附近的AGN源 太阳系附近的SNR加速源 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 Tienshan Chacaltaya 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 Helium M. Amenomori et al. , The Astrophysical Journal, 678:1165-1179, 2008 Helium Tibet ASγ Collaboration / Physics Letters B 632 (2006) 58–64

羊八井实验探测膝区现状：ASγ+YAC+MD Iron Box 7 r.l. Pb Scint. 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 1RPC →2 “Big Pads” (1.4×1.25 m2) 1.8ns

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

Wide Field of View Cerenkov Array (WFCA) 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 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 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 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。