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广角切伦科夫望远镜高海拔探测宇宙线的研究

2014 年高能物理学会非加速器探测器和深地物理研讨会. 广角切伦科夫望远镜高海拔探测宇宙线的研究. 陈天禄（西藏大学） 张毅（中科院高能所）. 上海交通大学 2014 年 10 月 11 日. 大纲. 甚高能伽玛天文 实验现状 未来计划 广角 IACT 的研究 总结. 甚 高能 γ 射线观测 —— 研究宇宙线的起源加速和传播的重要手段. “标准烛光”蟹状星云是一个典型的电子源. 电子的同步辐射. ν. 电子的 逆康普顿散射.  能谱→源区加速和传播特征. γ 射线方向 →对应天体. 甚高能 γ 射线观测的物理意义. 超新星遗迹.

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广角切伦科夫望远镜高海拔探测宇宙线的研究

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  1. 2014年高能物理学会非加速器探测器和深地物理研讨会2014年高能物理学会非加速器探测器和深地物理研讨会 广角切伦科夫望远镜高海拔探测宇宙线的研究 陈天禄（西藏大学） 张毅（中科院高能所） 上海交通大学 2014年10月11日

  2. 大纲 • 甚高能伽玛天文 • 实验现状 • 未来计划 • 广角IACT的研究 • 总结

  3. 甚高能γ射线观测 ——研究宇宙线的起源加速和传播的重要手段 “标准烛光”蟹状星云是一个典型的电子源 电子的同步辐射 ν 电子的 逆康普顿散射 能谱→源区加速和传播特征 γ射线方向→对应天体

  4. 甚高能γ射线观测的物理意义 超新星遗迹 FermiBubble 微类星体 脉冲星 1 宇宙线起源 活动星系核 γ暴 银心及 暗物质 2 河外背景光 （EBL）及 g-射线视界 3 检验光速不变，检验量子引力理论（LIV） 4

  5. 甚高能γ射线的观测 切伦科夫望远镜 角分辨和能量分辨好，有效面积大，但视场小，低DutyCycle Fermi HESS 空间实验能够覆盖 20 MeV–100GeV 但有效面积小约1 m2 羊八井ARGO和ASγ EAS实验，全天候 角分辨差（~1o），能量分辨差，光子和强子鉴别能力有限

  6. 151 TeV gamma ray Sources

  7. Gamma Ray Bursts GRB have energies up to at least ~100GeV. The highest energy photon from GRB130427A was detected at ~ 95GeV

  8. Gamma-ray bursts (GRBs) are flashes of gamma rays associated with extremely energetic explosions that have been observed in distant galaxies. They are the brightest electromagnetic events known to occur in the universe.  Bursts can last from ten milliseconds to several minutes. The initial burst is usually followed by a longer-lived "afterglow" emitted at longer wavelengths (γ-ray,X-ray, ultraviolet, optical, infrared, et.al). GRB 130427A Science, Jan 3, 2014, Vol.343(6166), p.42(6) ; p.38(4) ; p.51(4);p.48（4） GRB 130427A is cover story in the 3 Jaunary 2014 issues of the AAAS Journal, Science

  9. 下一代实验(空间) ： DAMPE、CALET、 GAMMA-400 CALET (CALorimetricElectron Telescope , 2015-2016) GAMMA-400( (Gamma Astronomical Multifunctional Modular Apparatus, 2015?) DAMPE (DArk Matter Particle Explorer, 2015-2016)

  10. 下一代的实验(地面) ：LHAASO，CTA，规模更大 ——充分挖掘现有技术探测潜力 伽马观测灵敏度度提高20-30倍;宇宙线能谱100GeV-EeV 新的探测方法？

  11. 大气契伦科夫成像技术原理 Whipple(10米直径): 1968至今，490pixels（第一代）

  12. 传统IACT技术缺陷：无法增加反射镜成像视场 • 目前的大型反射镜直径很大（28m H.E.S.S. II） • 但视场小，只能观测3-5o 。无法观测GRB，暗物质湮灭等物理现象。 • 大角度入射，图像扭曲严重。 • 扩大探测区，就会挡住透镜。

  13. 一种尝试：广角大气契伦科夫成像技术 反射镜 透镜 广角IACT的研究

  14. 广角IACT优势 模拟结果表明：CTA每年约探测到~10GeV GRB 2-3个；面积为25000m2水切伦科夫探测器在海拔5200m的高度，每年约探测到~10GeV GRB 1-2个。

  15. 采用菲涅尔透镜技术:探测超高能宇宙线 有效面积:百万km2 视场:60o张角 预计2017/18年发射

  16. GAW 实验

  17. 213 cm Ø 47 cm 25 cm Ø 47 cm GAW实验透镜

  18. GAW 实验设计 U3-Santa Maria A typical Cherenkov image (of about 0.5°×1°)

  19. GAW telescope灵敏度 角分辨 有效面积 50小时就能看到 约0.1倍强度Crab的源

  20. 另一种透镜方案：水透镜 光圈 0°和20°入射 带准直器的PMT 单位口径光圈效率优化 0.5°光圈 0.1°光圈 水球透镜：不同角度入射的成像精度一致

  21. 水透镜初步模拟结果 口径：3000mm 有效口径：2150mm 焦距：6414mm 视场：40o×40o 有效面积模拟结果 （感谢高能所蔡晖和王振所做的模拟）

  22. 水透镜样机 直径0.9米，焦距2米的水透镜样机初步成像测试

  23. 总 结 • 物理上：对于瞬变源、GRB、稳定源的Survey等大天区和高角分辨的观测迫切需要广角大气契伦科夫成像的技术； • 探测器技术方面：采用广角菲涅尔透镜或水透镜实现大气契伦科夫成像在国际上仍处于预先研究阶段； • 经费方面：西藏大学给予一定的经费支持预先研究。

  24. 谢谢大家！

  25. 几十GeV-几百GeV仍然是空白的窗口（高海拔？）GRB，瞬变源需要大视场，能量分辨好的新仪器（集成EAS+IACT的优势？）几十GeV-几百GeV仍然是空白的窗口（高海拔？）GRB，瞬变源需要大视场，能量分辨好的新仪器（集成EAS+IACT的优势？） 当前高能γ射线探测的薄弱区

  26. 当前γ射线探测实验的性能比较

  27. Gamma Ray Bursts Fermi observation of GRB130427A at z=0.145 GRB have energies up to at least ~100GeV. The highest energy photon from a GRB was detected at ~ 95GeV

  28. 强子源的证据：~67MeV的π0 “bump”

  29. 在GeV-TeV能区研究γ射线暴 • 仍然空缺的观测窗口 • 研究GRB加速机制，前身星环境。 • 宇宙学相关研究 • 研究河外背景光对高能光子的吸收 (EBL absorption) • 对Lorentz Invariance Violation限制 这个能区的γ射线传播更远 观测难点：产生的方向未知 发生的时间未知 需要大视场高灵敏度的仪器

  30. (Abdo et al. 2009 Nature, 462, 331) Lorentz Invariance Violation (L.I.V.)

  31. HAWC@普玛江塘海拔的GRB的年探测率 下一代实验对GRB的探测效率 CTA对GRB的年探测效率

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