马欣华高能所宇宙线广延大气簇射热中子探测技术研究

Report
宇宙线广延大气簇射热中子
探测技术研究
马欣华
高能年会
2014年4月21日
武汉
1
内容
1. 物理动机
2. 热中子探测技术
3. 高海拔:PRISMA-YBJ + ARGO-YBJ
4. 对LHAASO的加强
5. 其他相关物理研究
6. 总结及计划
2
1. 物理动机
通过对膝区分成份能谱进行精确测量,破解宇宙线
膝区成因,进而解开宇宙线起源的谜团。
膝区成因理论模型
 银河宇宙线加速源的 Emax 限制 拐折 ~ Z  100 TeV
 银河系对宇宙线的约束失效 拐折 ~ Z  3 PeV
 年轻SNR产生的宇宙线与近源光子作用产生e±对 拐折 ~ Z  500 TeV
 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
 ……
3
现有探测结果的典型差异,以质子为例:
 KASCADE: 拐折在2-3PeV(模型依赖),尖锐的
 ASgamma:拐折在~400TeV,缓慢的
4
探测技术问题:
不同的次级粒子得到不同的能谱拐折?!
探测不同的次级粒子是十分必要的!
5
• 强子是宇宙线簇射的“骨架”,对成份十分敏感。也曾考虑
在LHAASO中加入强子量能器,但是由于价格昂贵、面积有限、
运行不便等原因没能如愿。
• 簇射中少量的强子与周围环境中的物质(土壤、建筑物、探
测器材料、空气等)发生核反应产生大量MeV量级的蒸汽中
子,蒸汽中子经过周围环境中的物质的慢化而产生热中子
• 热中子探测器用于探测强子产生的大量热中子(强子),有很
强的成份区分能力,对膝区探测来说是一个新的独特的技术
手段。
6
Yu. V. Stenkin & J. F. Valdes-Galicia,
Modern Physics Letters A, Vol. 17, No.
26 (2002) 1745-1751
Yuri Stenkin et al., Chinese Physics C Vol.
37, No. 1 (2013) 015001 (中俄合作)
 热中子数量比强子多2-3个数量级,热中子相当于一个
放大镜放大了强子信息,
 轻核产生的热中子数比重核高1-2个量级,十分有利于
成份区分
 在高海拔得到的热中子数比海平面高出1-2个量级,使
得突出优势得到更好的发挥。
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2. 热中子探测技术
• 常用于中子俘获的同位素
– n + 3He  3H + 1H + 0.764 MeV
(5333barns)
– n + 6Li  4He + 3H + 4.79 MeV
(940barns)
– n+
10B
 7Li* + 4He7Li + 4He + 0.48 MeV  +2.3 MeV (93%)
 7Li + 4He +2.8 MeV
(7%)
(3980barns)
闪烁体 ZnS(Ag)+6LiF,每次
中子俘获释放16万光子
1 -PE tank, =72 cm, h=57 cm
2 - lid =30 cm
3 - 6’’ PMT
4 - scintillator, s=0.36 м2
5 - reflecting cone
n-efficiency - 20%
thickness - 30 mg/cm2
8
中子/噪音区分:脉冲波形甄别
Q to ta l
N e u tro n
N o ise
80
p u ls e h e ig h t
Qtrigger
100
60
noise
40
neutron
20
Q trig g e r
0
0
2
t trig g e r
4
6
t to ta l
8
10
12
14
T, s
16
18
20
Qtotal
9
宇宙线簇射事例:得到电磁成分和中子,包含时序
电磁成分
中子
10
3. 高海拔:PRISMA-YBJ + ARGO-YBJ
Neutron rate (/5min)
我们于2013年1月把4台热中子探测器
D1
D2
安装在羊八井(海拔4300m)ARGO
大厅内,开始和ARGO一起运行,得到
D3
了与ARGO阵列的符合事例
D4
11
days
时间差分布
符合事例芯位分布
Xinhua Ma and on Yuri Stenkin behalf of the PRISMA collaboration and the ARGO-YBJ
collaboration. 33ICRC, Rio de Janeiro’ 2013, ID 606.
12
一个符合事例
row
ARGO-bigpad
electrons Row in cluster 78
electrons
PRISMA- electrons
column
ρ(N/m2)
Lateral distribution
Row in cluster 78
Column in cluster 78
neutrons
ARGO-bigpad
Fitting: ρ=Ner -(2-s)
PRISMAcharged
PRISMA-neutron
PRISMA-neutron
13
r(m)
Column in cluster 78
热中子数分布。红线:与
簇射相符合的热中子数分
Preliminary
布。黑线:在线测得的本
底热中子分布。
我们的实测结果表明,
热中子流量在高海拔比
Preliminary
低海拔高1.5个量级,与
预期一致,证明了选址
高海拔的必要性。
14
热中子数与宇宙线原初能
量之间为正关联,说明用
Preliminary
热中子测量宇宙线是可行
的。
世界上第一次得到热
中子横向分布
Preliminary
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4. 对LHAASO的加强
• KM2A : e,μ
• WCDA: μ
• WFCTA: Č
• SCDA: γ family at core →π0
Large High Altitude Air Shower Observatory
• PRISMA: thermal neutrons →π+π-
不仅仅使LHAASO实现宇宙线簇射
全次级粒子混合探测(交叉检验以
及提高成份区分能力 ),而且对
LHAASO是个画龙点睛之笔(带电的、
2/3强子)。
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• 热中子探测技术成熟,运行可靠,易于操控,价格便宜,
用相当于百分之二LHAASO的经费就可建成有效阵列,使得
LHAASO在膝区探测上的整体性能得到提升。
• 目前参加这一工作的有中国科学院高能物理研究所、四川
大学、河北师范大学、
Research(Yuri
Institute for Nuclear
Stenkin 等 ),
National
Research
Nuclear University MEPhI, Moscow State University
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中俄合作:共同建探测器,发表文章;Yuri Stenkin 访问
高能所(2次)、四川大学和羊八井
18
探测器性能的改进
(河北师大张浩、蔡泽禹)
单中子谱
事例率(/min)
四号厅二楼
四号厅二楼加铅砖
hour
楼外
差值的平均值为+8%
四号厅一楼
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5. 其他相关物理研究
Global net of en-detectors
20
日变化
MEPhI
1.010
10
1.008
1.006
0
T, C
1.002
1.000
8
0.998
A m p litu d e
1.004
0.996
n
0.994
tem perature
0.992
6
0
4
8
12
16
20
0.990
24
local tim e, h
21
氡气日变化(YBJ,世界上首次)
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月球-潮汐(T=12h25m)
M2 in D1, MEPhI
Up
down
1 .0 0 3
L N G S , Ita ly
1 .0 0 2
1 .0 0 1
n / <n>
1 .0 0 0
0 .9 9 9
0 .9 9 8
0 .9 9 7
M 2 in n
0 .9 9 6
0
5
10
15
20
25
T, h
23
年周期变化
3 9 1 (o f 4 2 8 ) fu ll d a ys : 3 1 /0 3 /0 8 - 0 1 /0 6 /0 9 . ("K a p riz" 8 5 0 m w e ).
2
%
O
Tem perature, C
Am pl ~ 2 %
0
-2
hum idity, %
Baksan
Ap08
J l0 8
Fb09
M y0 9
0
30
60
90
120 150 180 210 240 270 300 330 360 390 420
0
30
60
90
120 150 180 210 240 270 300 330 360 390 420
0
30
60
90
120 150 180 210 240 270 300 330 360 390 420
18
17
16
15
80
76
72
68
d a y fro m 3 1 /0 3 /2 0 0 8
24
季节效应和Forbush 下降
L N G S d a ta
n / <n>
F o rb u sh
F o rb u sh
F o rb u sh
sn o w
F o rb u sh
F o rb u sh
sn o w co ve rin g
1 .2
1 .0
n c o rre c te d fo r P
0 .8
1 Ja n
1 M ar
2012
1 M ay
1 Ju l
1 Sep
d a ys
1 Nov
1 Ja n
1 M ar
2013
25
地震活动
CR %
Abnormal behavior of neutron flux on 2, May 2004
BAKSAN
18
12
6
0
-6
-12
sum of EQs Mag
0
30
25
20
15
10
5
0
28
56
(a )
84
8 Feb [ 5 EQ]
0
28
112
140
168
(b )
2 May [ 7 EQ]
56
84
112
140
196
168
196
day from 01, Dec, 2003
Local North Caucasus seismic activity and full Moon
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总结
• 简单、低成本、大面积的热中子探测阵列用于探测宇宙
线簇射中强子产生的热中子,有很强的成份区分能力,
对宇宙线膝区分成份能谱的精确探测来说是一个新工具;
• 在高海拔羊八井观测站我们搭建了4台中子探测器,与
ARGO阵列同时运行得到了来自簇射的真实中子事例,并
且正在独立地长期运行,将得到好的物理结果;
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下一步计划
我们正在积极开展热中子探测阵列的研制,争取近期在高海
拔地区建成由18台中子探测器组成的阵列,检验宇宙线簇射
热中子探测阵列的宇宙线成份区分能力,在世界上第一次用
热中子探测技术精确测量100TeV-1PeV的分成份能谱,为大
型高海拔宇宙线实验LHAASO计划加入新型探测仪器积累经验
和储备人才,最终达到大大提升宇宙线膝区分成份能谱精确
测量方面的能力的目标。
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