苟全补 （代表 TREND 合作组） 高能物理研究所 宇宙线射电探测预先研究 报告内容： 1. 极高能宇宙线探测 2. 射电探测技术 3. TREND 实验进展.

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1 苟全补 （代表 TREND 合作组） 高能物理研究所 宇宙线射电探测预先研究 报告内容： 1. 极高能宇宙线探测 2. 射电探测技术 3. TREND 实验进展

2 1. 极高能宇宙线探测 现有的宇宙线能谱测量已接近 10 21 eV ，跨越近 21 个 数量级。不同能区的宇宙线其起源有可能不同；宇宙 线起源之谜带动了空间、地面和地下的多个实验，推 动了多种探测技术的发展。可以期待 LHAASO 实验将会 在寻找甚高能宇宙线源和解开宇宙线膝的成因方面发 挥重要作用。那么，人们会问：有没有考虑极高能宇 宙线探测？ --- 下面介绍极高能宇宙线的射电探测预先 研究工作。

3 需要知道其 – 方向 – 能量 – 成份 需要有好的 统计性 – 探测器覆 盖面积要 大 + 占空 比要高 Radio Radio Highlight Talk, ICRC 2013, by Tim Huege

4 2. 射电探测技术 2.1. 射电探测原理 大气簇射产生的带电粒 子在地球磁场中运动，沿簇 射方向产生同步辐射；由于 辐射相干叠加，可在瞬间产 生高亮度的定向射电脉冲信 号，在大气中可基本无衰减 地传播。 利用这些同步辐射粒子 可以追踪 EAS 粒子的历史信 息。

5 EAS 射电信号（举例） 0,100m,200m 为离 EAS 芯位距离 （模拟） 10 17 eV 宇宙线垂直簇射时的射电脉冲信号 脉冲特点： 峰值时间约 2ns ， 持续时间约 10ns, 信号幅值约 100uV/m 。

6 从上到下离 EAS 芯位的距离 分别为： 100m 、 200m 、 300m 、 500m 、 700m 。 对于 10 17 eV 的 宇宙线来说（以距 芯位 100m 为例）， 信号脉冲功率主要 分布在 1MHz--- 200MHz, 大于 200MHz 的信号衰 减较快。 目前国际上测 量 EAS 射电信号的 天线频率范围是： 20MHz---200MHz 。 EAS 射电信号功率分布（举例）

7 2.2 宇宙线射电探测的优点 其一，射电天线造价较低，容易把探测器覆盖面积做大。 其二，探测器性能稳定，能全天候工作。 其三，射电信号在大气中传播时没有衰减。 其四，可以探测斜入射的中微子事例。

8 右图中，红三角是由 15 支天线构 成的天线阵列。黄方块是闪烁体 阵列。白菱形是 21CMA 的天线阵 列。 1 ）探测器盒：空气光导箱。 2 ）光电倍增管： Photonis XP2020 。 3 ）闪烁体： Bicron-408 ， 50cm × 50cm × 2cm 。 4 ）铅板： 50cm × 50cm × 0.5cm 。 （ 1 ）建立了小型闪烁体阵列 3.1. 尝试宇宙线的射电探测技术 3. TREND 实验进展 闪烁体探测器：

9 time [ μ s] 闪烁体信号调试 把闪烁体信号送 入 21CMA 的光发射机 (20-200MHz)

10 闪烁体信号： 三台闪烁体探测器观测到的 620 个三重符合事例。 计算表明，（三台闪烁体探测器）观测到三重偶然符合事例的 几率小于 3  10 -3 /day 。 左图： 620 个三重符合事例的方位分布 右图：天顶角和方位角分布 （ 2 ） 射电天线与闪烁体联合实验 ( 典型事例 )

11 右图：满足所有 Cut 条件的 25 个重建事例。 B geo 射电天线信号 左图：满足 cut(1)( 选择安静的时 间窗口 ) 的 2275 个重建事例。蓝十 字，黑方块和红圆圈分别表示 4 支， 5 支和 6 支天线符合的事例。

12 4 个射电信号 （ ant152,153,154,156 ） 和 3 个闪烁体信号 ( Scint 139,110,111 ) 相 关联 。 t i : 探测器 i 上信 号幅度最大时的时 间。 d ij : 探测器 i 和 j 之 间的距离。 |t i -t j |<d ij /c 离线符合用的 cut 条件： |t i -t j |<d ij /c 射电天线与闪烁体的离线符合

13 观测到了射电天线与三台闪烁体（三重）的符合事例 （标记为 A 、 B 、 C ）。下表是由射电天线阵列和闪烁体阵列 各自重建出的天顶角和方位角，两者在误差范围内是一致的。 符合 事例 射电天线闪烁体 天顶角  方位角  天顶角  方位角  A 51.6  1.2195.4  2.248.8  2.8190.9  4.5 B 60.6  2.7358.6  2.166.6  4.93.4  3.6 C 42.1  0.854.8  4.036.2  3.056.5  5.1 这个实验首次用射电自触发模式探测到了宇宙线事例 APP 34(2011)717-731

14 3.2. 研究射电信号的极化特征 拟研制一个由 21 台塑料闪烁体探测器构成的 EAS 地面阵 列，与射电天线阵列进行联合实验，以判别射电天线阵列的 信号是来自本底还是来自宇宙线事例，从而研究宇宙线射电 信号区别于本底的极化特征。 射电信号的极化特征： EAS 射电发射 : F = qv  Bgeo 线性极化方向 ┴ EAS 粒子运动方向 ┴ Bgeo 本底噪音 : 不具有线性极化特征 EAS 事例选取 : 测量具有极化特征的所有被触发的射电天线信号； 将它们与地面阵列测得的 EAS 信号做离线符合。

15 具有极化特点的射电天线阵列观 测到的宇宙线事例（模拟结果）。 结合射电天线阵列的模拟结果， 优化设计了联合实验探测器布局图 （红方块为闪烁体，黄三角为天线） 。

16 用 21 台（和 35 台）塑料闪烁体探测器构成的 EAS 地面阵列做了 斜入射测量时的灵敏度计算（如下图所示）。原初宇宙线的模拟 用了 Corsika code （ V6.690 ）, 探测器模拟用了 G4asg code ，塑料闪 烁体和铅板的面积均为 0.5m 2 ，海拔高度为 2650m(21CMA 实验站实 际高度 ) ，两列之间的距离为 300m ，两行之间的距离为 500m 。

17 小结 1. 宇宙线射电探测有着显著的特点：其一，射电天线造价较低， 容易把探测器覆盖面积做大；其二，探测器性能稳定，能全天 候工作； 其三，射电信号在大气中传播时没有衰减；其四，可 以探测斜入射的中微子事例。 2. 中法合作 TREND 实验在将射电技术用于宇宙线探测的道路上已 迈出了具有重要意义的一步：在世界上首次用射电自触发方式 探测到了宇宙线事例。 3.TREND 实验正在研究宇宙线射电信号区别于本底的极化特征 （其极化方向同时垂直于地磁场方向和初级宇宙线运动方向）。

18 外触发与自触发 external triggering works well – LOPES – CODALEMA – AERA – LOFAR self-triggering is very challenging transient noise (RFI) it has been done successfully TREND AERA prototype and AERA CODALEMA-III but: radio trigger purity is very low need coincidence with other detector for clear identification or need to use many details of radio signal (LDF, polarization) to identify air showers - what is realistic in a low-level trigger? Radio Highlight Talk, ICRC 2013, by Tim Huege

19 谢谢！

20 ντντ τ TREND （ Tianshan Radio Experiment for Neutrino Detection ） 21CMA 位于海拔 2650m 的地方，它的周围是海拔 5000m 的高山，适合做中微子研究。

21 primary mass composition galactic sources mass composition CR astronomy, GZK physics, HE neutrinos, … galactic  extragalactic antimatter, dark matter, mass composition

22 NUCLEON (Russia) KASCADE + AS  +Argo+ LHAASO+… TA, Auger TUS (Russia) JEM-EUSO KASCADE-Grande IceTop/IceCube Tunka-133 ATIC, CREAM, … Pamela, AMS space balloon space