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2010/04/17-20 南昌姚志國 中國科學(xué)院高能物理研究所2內(nèi)容提要甚高能伽瑪天文觀測實驗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結(jié)果到目前為止，共有98個甚高能（VHE，E100 GeV）伽瑪源被發(fā)現(xiàn)：河內(nèi)：60個（2009年1月以來：3個）；河外：38個（2009年1月以來：16個）。3高能伽瑪天文實驗的現(xiàn)狀505LHAASO-WCDA計劃：性能優(yōu)勢全天候：占空比（duty cycle）：100%，而IACT只有10%；對一個穩(wěn)定源來說：每天都觀測25%，而IACT一年平均下來不到2.5%；可以監(jiān)測時

2、變源的流強(qiáng)變化。大視場：4/6，而IACT視場角小于5；如果IACT同時只能瞄準(zhǔn)1個源，WCDA可以瞄準(zhǔn)250個源；可以探尋未知耀變源（包括GRB）；可以觀測擴(kuò)展源。低閾能：高海拔的優(yōu)勢之一；400 m2 100 GeV（同時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；因為強(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！水契侖柯夫的優(yōu)勢！河外源河外源的觀測成為主流：通過HESS、VERITAS等實驗的銀道面、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個源（631個身份未定）；其中241個變源（variable）（225個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（探測器更多）；發(fā)現(xiàn)時的流強(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 河外源觀測上的優(yōu)勢優(yōu)點為：廣角+全天候：對耀變源（flare）敏感：WCDA：如果爆發(fā)時長在天量級以上，北天區(qū)的源100%能夠被觀測到；IACT：觀測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%。時變源的流強(qiáng)監(jiān)測：WCDA可以同時監(jiān)測北半天區(qū)內(nèi)幾乎所有時變源的流強(qiáng)變化；0.04 CRAB：周量級（ 3）；0.1 CRAB：天量級；0.2 CRAB：小時量級；1.8 CRAB：分鐘量級。IACT：同時只能監(jiān)測一個。擴(kuò)展源的觀測：IACT受到點擴(kuò)展函數(shù)的限制；WCDA有優(yōu)勢（0.2）。8主要目標(biāo)：觀測和測量發(fā)現(xiàn)競爭力：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個探測器單元組成；900個8 inch的光電倍增管；等效于計劃中HAWC的規(guī)模。9150 m，30個單元150 m，30個單元WCDA的性能參數(shù)：陣列1011整個陣

5、列的布局4個 陣列：總面積90000 m2； 3600個單元。布局：或者相隔一定距離鋪設(shè)；或者合并成一個大水池。還可能需要增加或者利用一些外圍探測器。11300 m，60個單元300 m，60個單元陣列布局的優(yōu)化4個獨立運行的陣列，各為150150 m2；2個獨立運行的陣列，每個為300150 m2；整體1個陣列，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)點做對比。24個VHE河外源中：4-6個能譜較陡的源在靈敏度之外；但5年的運行基本會觀測到所有的發(fā)現(xiàn)源（因為源的能譜為平靜期的參數(shù)）。爆發(fā)期也可探測到：流強(qiáng)10倍于平靜期；時長約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：實驗觀測到的源在測量誤差范圍內(nèi)都是冪譜；能譜

7、系數(shù)和指數(shù)的計算與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探測器原形實驗（Prototype）大型水箱：7m直徑，5 m高；8 inch PMT置于水底，向上觀測。符合觀測：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實驗運行及結(jié)果185%11%-15%-29%水衰減長度測量和PMT掃描系統(tǒng)19XZXY20工程陣列實驗（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55 m2單元；水底中央放置9支PMT（濱松R5912，8 inch），向上觀測；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)計與施工2122LHAASO-WCDA計劃：實驗階段22探測器原形（2009.6）光電倍增管測試電子學(xué)設(shè)計工程陣列（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)相對簡單：水+PMT；技術(shù)上證明可行：SK、AUGER、大亞灣、WCDA原型實驗和工程陣列的設(shè)計；大氣簇射陣列：經(jīng)驗豐富，物理內(nèi)容

9、多。IACT或GAW：精密加工類型，國內(nèi)力量薄弱；從未加入過國際合作，技術(shù)儲備不足；研發(fā)周期長，國際上無競爭力，無突破的潛力；可以投入較小的力量來參與國際合作，學(xué)習(xí)整套技術(shù)，為將來做準(zhǔn)備。23性價比性價比：（單位：人民幣，1 USD = 7 RMB）Fermi-LAT：13.7億（僅美國）；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IACT或GAW的性能改善微乎其微；需另開辟實驗基地。羊八井高海拔宇宙線觀測站：大面積的高海拔平地是我國得天獨厚的自然條件；已經(jīng)具有良好的研究基地；能夠吸引國際同行參加；同時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、大視場的探