WCDA現(xiàn)狀---高能物理研究所課件

1、1LHAASO-WCDA大型高海拔水契侖柯夫陣列高能物理學(xué)術(shù)年會(huì)2010/04/17-20 南昌姚志國(guó) 中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所2內(nèi)容提要甚高能伽瑪天文觀測(cè)實(shí)驗(yàn)WCDA的結(jié)構(gòu)與布局性能參數(shù)研究進(jìn)展總結(jié)甚高能伽瑪天文的觀測(cè)結(jié)果到目前為止，共有98個(gè)甚高能（VHE，E100 GeV）伽瑪源被發(fā)現(xiàn)：河內(nèi)：60個(gè)（2009年1月以來：3個(gè)）；河外：38個(gè)（2009年1月以來：16個(gè)）。3高能伽瑪天文實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)狀505LHAASO-WCDA計(jì)劃：性能優(yōu)勢(shì)全天候：占空比（duty cycle）：100%，而IACT只有10%；對(duì)一個(gè)穩(wěn)定源來說：每天都觀測(cè)25%，而IACT一年平均下來不到2.5%；可以監(jiān)測(cè)時(shí)

2、變?cè)吹牧鲝?qiáng)變化。大視場(chǎng)：4/6，而IACT視場(chǎng)角小于5；如果IACT同時(shí)只能瞄準(zhǔn)1個(gè)源，WCDA可以瞄準(zhǔn)250個(gè)源；可以探尋未知耀變?cè)矗ò℅RB）；可以觀測(cè)擴(kuò)展源。低閾能：高海拔的優(yōu)勢(shì)之一；400 m2 100 GeV（同時(shí)保證好的角分辨和質(zhì)子伽瑪區(qū)分）；低能段和Fermi-LAT相銜接。高角分辨：0.35 1 TeV，3 1 TeV，12 5 TeV；因?yàn)閺?qiáng)子簇射容易形成次芯（能流或子），水契侖柯夫?qū)Υ涡靖舾?。與IACT互補(bǔ)！高海拔的優(yōu)勢(shì)！水契侖柯夫的優(yōu)勢(shì)！河外源河外源的觀測(cè)成為主流：通過HESS、VERITAS等實(shí)驗(yàn)的銀道面、Cygnus區(qū)域掃描，認(rèn)為基本上把高流強(qiáng)的河內(nèi)源都發(fā)現(xiàn)完了；

3、經(jīng)驗(yàn)的積累和方法的更新使得河外源的探索成為可能；廣角、全天候的FERMI-LAT公布了第一批結(jié)果：1451個(gè)源（631個(gè)身份未定）；其中241個(gè)變?cè)矗╲ariable）（225個(gè)curved）。67河外源的位置和能譜分布能譜隨距離變大而變陡？（EBL的吸收？）；北半球發(fā)現(xiàn)的源更多（探測(cè)器更多）；發(fā)現(xiàn)時(shí)的流強(qiáng)大都在5% CRAB （ 0.3 TeV）左右（而且可能大都處于近平靜期或小爆發(fā)期）。WCDA在 河外源觀測(cè)上的優(yōu)勢(shì)優(yōu)點(diǎn)為：廣角+全天候：對(duì)耀變?cè)矗╢lare）敏感：WCDA：如果爆發(fā)時(shí)長(zhǎng)在天量級(jí)以上，北天區(qū)的源100%能夠被觀測(cè)到；IACT：觀測(cè)到的可能性在沒有預(yù)警的情況下小于1%，在有預(yù)

4、警的情況下為25%。時(shí)變?cè)吹牧鲝?qiáng)監(jiān)測(cè)：WCDA可以同時(shí)監(jiān)測(cè)北半天區(qū)內(nèi)幾乎所有時(shí)變?cè)吹牧鲝?qiáng)變化；0.04 CRAB：周量級(jí)（ 3）；0.1 CRAB：天量級(jí)；0.2 CRAB：小時(shí)量級(jí)；1.8 CRAB：分鐘量級(jí)。IACT：同時(shí)只能監(jiān)測(cè)一個(gè)。擴(kuò)展源的觀測(cè)：IACT受到點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)的限制；WCDA有優(yōu)勢(shì)（0.2）。8主要目標(biāo)：觀測(cè)和測(cè)量發(fā)現(xiàn)競(jìng)爭(zhēng)力：50%9陣列的結(jié)構(gòu)示意圖陣列150150 m2的水池；4 m有效水深；由3030 = 900個(gè)探測(cè)器單元組成；900個(gè)8 inch的光電倍增管；等效于計(jì)劃中HAWC的規(guī)模。9150 m，30個(gè)單元150 m，30個(gè)單元WCDA的性能參數(shù)：陣列1011整個(gè)陣

5、列的布局4個(gè) 陣列：總面積90000 m2； 3600個(gè)單元。布局：或者相隔一定距離鋪設(shè)；或者合并成一個(gè)大水池。還可能需要增加或者利用一些外圍探測(cè)器。11300 m，60個(gè)單元300 m，60個(gè)單元陣列布局的優(yōu)化4個(gè)獨(dú)立運(yùn)行的陣列，各為150150 m2；2個(gè)獨(dú)立運(yùn)行的陣列，每個(gè)為300150 m2；整體1個(gè)陣列，大小為300300 m2：最低：0.007 CRAB 4 TeV。12更多的布局方式13150150 m2200200 m2225225 m2250250 m2270270 m2300300 m2320320 m2對(duì)現(xiàn)有VHE河外源的靈敏度14線形的顏色代表不同的能譜指數(shù)，與相同顏色

6、的數(shù)據(jù)點(diǎn)做對(duì)比。24個(gè)VHE河外源中：4-6個(gè)能譜較陡的源在靈敏度之外；但5年的運(yùn)行基本會(huì)觀測(cè)到所有的發(fā)現(xiàn)源（因?yàn)樵吹哪茏V為平靜期的參數(shù)）。爆發(fā)期也可探測(cè)到：流強(qiáng)10倍于平靜期；時(shí)長(zhǎng)約3天。角分辨定位精度（95%）：Fermi-LAT：0.8 0.2 IACT：0.1 0.03WCDA：0.5 0.15NED（圍繞Mrk421）：0.2：11670.03：200.15：625AGN identification：多波段時(shí)變的相關(guān)分析；但I(xiàn)ACT較難。15能量分辨能量分辨：Fermi-LAT：15%IACT：15-25%WCDA：200%-15%冪譜：實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到的源在測(cè)量誤差范圍內(nèi)都是冪譜；能譜

7、系數(shù)和指數(shù)的計(jì)算與logE/logE及事例數(shù)相關(guān)；借助精確的MC和Likelihood擬合可以進(jìn)行精細(xì)的能譜分析。1617探測(cè)器原形實(shí)驗(yàn)（Prototype）大型水箱：7m直徑，5 m高；8 inch PMT置于水底，向上觀測(cè)。符合觀測(cè)：上下放置3層各1 m2的閃爍體。水凈化和循環(huán)系統(tǒng)：注滿凈化后的自來水，然后循環(huán)凈化。記錄宇宙線子產(chǎn)生的契侖柯夫光。172層1m2的閃爍體1層1m2的閃爍體5 m7 m實(shí)驗(yàn)運(yùn)行及結(jié)果185%11%-15%-29%水衰減長(zhǎng)度測(cè)量和PMT掃描系統(tǒng)19XZXY20工程陣列實(shí)驗(yàn)（Engineering Array）1515 m2水池；水深4.5 m（其中PMT頂部以上：

8、4 m）；用隔光簾隔開，自然形成9個(gè)55 m2單元；水底中央放置9支PMT（濱松R5912，8 inch），向上觀測(cè)；規(guī)模為全陣列的1/400；記錄宇宙線引起的簇射：、e、 產(chǎn)生的契侖柯夫光；與ARGO-YBJ離線符合。2021工程陣列的設(shè)計(jì)與施工2122LHAASO-WCDA計(jì)劃：實(shí)驗(yàn)階段22探測(cè)器原形（2009.6）光電倍增管測(cè)試電子學(xué)設(shè)計(jì)工程陣列（2010.7） 陣列（2014.8？）全陣列（2016.8？）軟件工作物理分析工程建設(shè)階段技術(shù)可行性WCDA：結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單：水+PMT；技術(shù)上證明可行：SK、AUGER、大亞灣、WCDA原型實(shí)驗(yàn)和工程陣列的設(shè)計(jì)；大氣簇射陣列：經(jīng)驗(yàn)豐富，物理內(nèi)容

9、多。IACT或GAW：精密加工類型，國(guó)內(nèi)力量薄弱；從未加入過國(guó)際合作，技術(shù)儲(chǔ)備不足；研發(fā)周期長(zhǎng)，國(guó)際上無競(jìng)爭(zhēng)力，無突破的潛力；可以投入較小的力量來參與國(guó)際合作，學(xué)習(xí)整套技術(shù)，為將來做準(zhǔn)備。23性價(jià)比性價(jià)比：（單位：人民幣，1 USD = 7 RMB）Fermi-LAT：13.7億（僅美國(guó)）；HESS：7000萬 200 = 廣角；CTA：10.5億 200 = 廣角；ARGO：4000萬 900 = WCDA（靈敏度至少差30倍）；GAW：價(jià)格4000萬？24 24 12 = WCDA（立體角），大部分能區(qū)的靈敏度也差（2），而且工作能區(qū)窄。共需9.6億；WCDA：3億 。24基礎(chǔ)條件和優(yōu)勢(shì)IACT或GAW：羊八井的氣候、濕度條件不適合于望遠(yuǎn)鏡的工作；高海拔對(duì)IACT或GAW的性能改善微乎其微；需另開辟實(shí)驗(yàn)基地。羊八井高海拔宇宙線觀測(cè)站：大面積的高海拔平地是我國(guó)得天獨(dú)厚的自然條件；已經(jīng)具有良好的研究基地；能夠吸引國(guó)際同行參加；同時(shí)可以開展宇宙線及交叉學(xué)科的研究。25總結(jié)甚高能伽瑪天文的發(fā)展，一直需要全天候、大視場(chǎng)的探