水契伦科夫探测器阵列(WCDA)

Report
LHAASO计划及其进展
盛祥东
中国科学院高能物理研究所
2013年7月6日
2013年粒子物理实验计算与技术研讨会 山东 威海
内
容
1. LHAASO计划的科学目标
2. 具体实验计划及其进展
①
②
③
④
1km2地面簇射粒子阵列(KM2A)
水契伦科夫探测器阵列(WCDA)
大气荧光暨契伦科夫探测器阵列(WFCTA)
簇射中芯探测器阵列(SCDA)
3. 总结
2
1. LHAASO计划的科学目标
(1) 探索高能宇宙线起源以
及宇宙、高能天体演化和新物
理研究;
2nd knee
(2) 全天区 寻找伽马源、精
确测量其能谱,通过对辐射机
制的探索发现高能粒子的加速
源;
(3) 测量单成份宇宙线能谱,
确定 “膝”的位置;
(4) 宇宙线能谱的连续、一
致测量,实现空间宇宙线直接
测量和地面的空气簇射间接测
量的连接;
(5) 开拓暗物质等新物理研
究前沿课题。
图
不同实验观测到的宇宙线能谱
 109eV——1015eV,幂律谱J(E)∝E-2.7;
 1015eV——1018eV,
J(E)∝E-3,Knee;
J(E)∝E-3.2 ,2nd knee;
 > 1018eV,ankle;
3
 ~1020eV,“GZK截断”
宇宙线的起源是解决上述问题的核心
(1) 河系内(河内)起源
银河宇宙线源:恒星
(如太阳)、超新星爆发、
SNRs、脉冲星等
超新星爆发(输出功率
维持流强、解释成份);
SNRs激波加速等理论可
以解释到“膝区”附近的幂律
谱,能量低于1017eV。
特点: 银河系磁场导致
银河宇宙线发生偏转 不能
指向源的位置。
甚高能(TeV)伽马天文
发展起来,契仑科夫探测技
术的应用。
(2) 银河系外(河外)起
源:
河外宇宙线源:活动星
系核(AGN)和伽马射线
暴等
图
甚高能伽马源天图
在天体源的激波处宇宙线的加速期间和
星际介质中的传播期间中产生。
HESS、MAGIC、VERITAS等实验空气
簇射契伦科夫望远镜探测技术,一共发现了
近150多颗TeVγ射线源。
Milagro实验采用水契伦科夫探测技术发
现3颗γ射线源。
4
轻子起源, 相对论性电子/正电子通过逆Compton散射产生;
强子起源, 质子-质子相互作用中产生的π0介子的衰变产生。
图 3EGJ2033+4118的非热发射光子能谱
解决银河宇宙线起源的发展方向:
在高于TeV的能区(甚高能),寻找光子谱的高能截断,尤其在数百
TeV能区中的观测可能最终确定银河宇宙线的性质。
探索在银河系中最高端的粒子加速器。
5
二、具体实验计划及其进展
LHAASO 主体探测器阵列:
(1) 1km2地面簇射粒子阵列(KM2A);
5635 EDs + 1221 MDs;
(2) 90000 m2水契伦科夫探测器阵列
(WCDA);
(3) 24台大气荧光暨契伦科夫探测器阵列
(WFCTA);
(4) 5000m2(452台)簇射中芯探测器阵列
(SCDA)。
建设项目总
投资近10亿
元,建设周
期6年。
6
1. 地面簇射粒子阵列(KM2A)
物理目标:
超高能宇宙线起源和宇宙
线物理。
能段: 20TeV-100PeV;
灵敏度: 伽马射线源的巡天灵
敏度在50TeV处达到1% Icrab
三个要素:
(1)有效探测面积达到约1km2。
5341 ED(单元面积1m2)/15m;294个ED/30米;阵列半径635米。
(2)全天候运行;
(3)对伽马射线实现零背景探测。
利用muon成份进行原初粒子识别,排除富含muon的强子簇射,提高灵敏
度。muon探测器(MD)的覆盖率达到5%。 1221 个面积36m2的MD呈品字形
均匀排布于阵列中,间距30m 。
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KM2A不但具有大视场、全天候的优势,
对单个源的年平均观测时间约1500小时,
对伽马射线源的年有效曝光量达到
1500km2h,是欧洲提出的契伦科夫望远
镜阵列(CTA)计划和中日ASγ+MD的
15倍,是美国的HAWC实验的40倍。
图
LHAASO-KM2A的灵敏度曲线
KM2A快速模拟程序(2008—
—)对KM2A阵列的布局进行
了优化,给出了获得预期灵敏
度情况下的探测器指标要求和
阵列排布。
图 KM2A对蟹状星云能谱的测量预期
8
实验上要求ED需要具备如下的主要
指标:
1)粒子数密度测量的动态范围为
1/m2 — 10000/m2,测量精度为:
<[email protected],<[email protected];
2)时间分辨好于2ns;
3)探测效率高于95%。
实验上对 MD的基本要求:
1) 探测单元上面覆盖2.5m 厚的沙土以
吸收EAS中的电磁成份(e±及γ);
2) 时间分辨<10ns;
3) 动态范围1-10000 个粒子,粒子数
分辨达到0.25 [email protected],
<[email protected] 个粒子。
模拟工作(2009—):
独立开发出基于GEANT4的探
测器优化设计、模拟程序
 模拟结果与实验结果的成功
对照;
 初步完成对ED单元探测器的
设计;
 参数化,用于未来的模拟软
件
模拟工作(2009——):
基于AUGER的探测器优化设计、
模拟程序
 模拟结果与实验结果基本一
致的对照;
 完成对MD单元探测器的优
化设计;
 参数化,用于未来的模拟软
件
9
ED样机及其性能特点
4
3
2
1
实验测试(单muon事例)结果表明:
① ED中不同位置(16个Tile)响应的不一致性约为10%;
② 单块Tile不同位置相应的不一致性小于5%。
③ 平均光电子数为25.4p.e.,幅度分辨率小于15%;
④ 时间分辨约为1.9ns;
⑤ 探测效率超过95%。
10
图 PMT批量测试系统原理图
阴极面响应的一致性、较快的时间特性、较宽的线性动态范围、
噪声低。同时要测量单光电子峰、高压增益曲线,研究PMT增益
与温度、磁场等环境因素的关系。
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图 Corars宇宙线标定仪探测器结构图
图 Corars电子学系统示意图
Corars对每一个到来的muon的到达时间测量精度小于1ns,位置精度为厘米量级。
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(1) 实验目的:验证KM2A阵列布局
设计。
(2)ARGO大厅实验阶段:2010.10 —
2012. 11
触发方式:42选5,事例率约为45Hz。
数据量:1.5GB/day; 1300runs含3×109
events,与ARGO数据的符合成功率达
到95%。
KM2A-ED工程阵列实验得到的月影结果 13
MD样机及其性能特点
内袋材料是Tyvek,(漫反射率95
%);
两层低密度聚乙烯(LDPE),抗
拉强度达到19MPa,断裂强度达
到25MPa。
第四层材料是PP、LDPE的复合编
织布,保持整个水袋的耐磨性能。
14
15
16
探测器读出电子学
电磁粒子探测器读出电子学的主要任务是精确测量入射带电粒子的电荷量和
粒子到达的相对时间。参照BESIII读出电子学成功的设计经验以及大亚湾中
微子实验PMT读出电子学的设计经验,电磁粒子探测器读出电子学采用以
下技术方案:基于电流积分法的多量程电荷测量方案和基于前沿定时通过
FPGA内时控延迟线法实现的时间测量方案。
μ子探测器采用水契伦科夫探测器方案,输出波形信号衰减时间较长。μ子
探测器主要测量粒子的电荷量,同时希望电子学还能够给出波形持续时间,
波形峰值等与波形有关的信息。所以μ子探测器读出电子学采用基于高速
ADC的波形数字化方案。
基于以太网的亚纳秒精度定时分布系统;
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KM2A触发判选和数据获取系统
KM2A包括电磁粒子和μ子两种探测器,两种探测器的规模与数据量估计如
下表:
项
目名称
单道计
数率
(kHz)
是
通道
触发前数
否参
触发后数据量
数
据量(MB/s)
与
(MB/s)
触发
ED
1
5635
100
是
MD
12
1221
350
否
~10
每个通道,一次击中需记录18(ED)和24(MD)Byte信息(时间、
电荷量、通道号等)。
由于电子学设计采用White Rabbit方案进行数据交换和时钟同步,前端
读出接口可以采用White Rabbit交换机,以太网直接读出的方案(下图所
示)。根据KM2A电子学设计,每个探测单元都作为独立节点进行数据传
输,因此,数据获取前端软件需要与6856个节点建立连接,收集并合并每
个节点的击中信息。KM2A无硬件触发,读出的数据中包含大量PMT暗噪
声和本底,在线软件需尽可能多的过滤无用数据,并根据物理需求,做事
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例组装,实现软件触发。
2.
水契伦科夫探测器(WCDA)
科学目标:
发现大量甚高能γ射线源;
在TeV能段,利用WCDA具有的大视
场、全天候和对扩展源的高灵敏度
优势,实现对伽马射线源最强的巡
天扫描搜索能力,预计发现大量河
外源,与IACT探测技术进行优势互
补。
实验设计指标:
① 数据读出窗口: 2us
② 时间测量分辨率(LSB): <1ns (25/28)
③ 时间测量精度(RMS): <0.5ns
④ 多脉冲记录最小间隔: 25ns
⑤ 电荷测量精度: [email protected] 幅度
⑥ 电荷测量动态范围: S.PE-4000 PEs 。
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图 LHAASO-WCDA布局示意图
水Cherenkov探测技术
• 低阈能;
• 电磁粒子( ± 、γ、 ± );
• 较强的质子/γ区分能力。
20
LHAASO-WCDA阵列面积是90000m2,由4个150m150m的大型水池构成,
水深4.4m。每个水池分为900个5m×5m的单元探测器,各放置一支光电倍增
管,观测宇宙线或伽马射线形成的空气簇射的次级产物,如伽马光子、正负电
子和子等。
LHAASO-WCDA由以下几个系统组成:1)水池主体与水、光密闭系统;
2)水净化与循环系统;3)PMT封装及测试系统;4)电子学系统;5)触发
判选系统;6)电荷与时间标定系统;7)慢控制系统;8)数据获取系统;9)
数据存贮与处理系统。
图 LHAASO-WCDA在不同原初能量下的有效
面积
图
LHAASO-WCDA的灵敏度曲线
21
LHAASO-WCDA工程样机实验
22
 读出电子学系统:
 时间和电荷标定系统:
• 时间标定:LED与光纤组合
方式;
• 电荷标定:
1. 直接打在PMT光阴极上
的宇宙线μ子;
2. 各PMT单路计数分布的
峰值(单光电子峰)。
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3. 大气荧光暨契伦科夫探测器(WFCTA)
WFCTA由24台广角契伦科夫望远
镜组成。
物理目标:
,局布列阵整调性段阶过通联合
KM2A、WCDA、SCDA探测器,多参
数、分能段,精确测量1014eV—1018eV
的宇宙线分成份能谱,面地和间空建搭
施设型大量测线宙宇(TA和Auger)之
梁桥的间,的致一续连成完宇宙线谱能
量测。
WFCTA共分三个阶段来完成跨越四个
多量级的宇宙线能谱测量。
为完成以上物理目标,对望远镜的性能提出以下要求:
宽视场:单台望远镜视场范围14 º×16 º;像素:0.5 º;32×32的PMT;
能量分辨:<20%;簇射极大位置分辨:<40g/cm2;
可移动设计。
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:段阶一第
量测1014eV—1016eV的契伦科夫例事。
24台WFCTA望远镜被成分3组每,组8台;
3组望远镜围绕SCDA器测探排布置,每
列阵器测探组之间的距离约为130 m,距
离SCDA约大心中器测探75m。
WFCTA到达以可积面盖覆间空效有的
10,000m2盖覆以足,上以SCDA的
5,000m2间空度角时同,积面测探效有的
到达也率盖覆33地与,围范角顶天的度
。配匹相列阵面
示显果结拟模,到量测可约大年每260K
于大量能1014eV的落在SCDA上的宇宙线
例事,6 K左右于大量能1015eV的落在
SCDA上的宇宙线。例事
图 WFCTA布局,其中每一个圆
圈代表一度的视场,所组成的方框
代表一台望远镜,原点(0,0)代
表正天顶。
25
第二阶段:量测1016eV—1017eV的契伦科夫例事。24台WFCTA望远镜均匀
地分布在KM2A上,每台都指向约40度的天顶角。
望远镜的有效空间覆盖面面积也达到了1km2,而且由于每台望远镜都指向
同一个角度,对于能量在1016eV以上的空气簇射至少可以被3台望远镜同时观测
到,这有助于提高能量重建精度和成份区分能力。示显果结拟模,可约大年每
到量测上千个于大量能1016eV的宇宙线例事。
第三量测:段阶1017eV上以的光荧气大
例事。
由列阵器测探主4×4距,成组器测探台
离KM2A中心4.3盖覆器测探。里公56º×64º
离距列阵器测探发触。区天KM2A中心5.4
盖覆,里公28º×32º区天,器测探主助帮来用
列阵确。何几等向方、置位的射簇定
图
荧光模式WFCTA探测器布局
到量测可约大年每示显果结拟模40K于大量能1017的宇宙线。例事
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27
28
4. 芯探测器阵列(SCDA)
面向100TeV-1016eV原初宇宙线的铁谱
以及质子、氦等轻核的单成份能谱精确
测量,给出各种单成份的“膝”位置。
SCDA+KM2A联合实验,前者测量大
气簇射轴芯区次级粒子信息,用以区分
宇宙线成份。后者通过ED阵列提供原初
宇宙线能量和到达方向,MD阵列提供
muon数目信息。
SCDA 阵列位于 KM2A 阵列的中心位置,中心为20×20 阵列,间隔是
3.75m;外围 52 台探测器,间隔是 6.48m,用来辨别簇射芯位。
总覆盖面积为 5000 m2左右。
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SCDA测量宇宙线大气簇射轴芯区的高能电磁成份(高能电子、光子)的能
量、数量、横向展开以及这些量的分布(对成份有高的灵敏度)。
能量:GeV——100 TeV。
通过高能电子或光子穿过一
定厚度铅层产生的电磁级联的
大小来决定其能量的。
空气簇射轴芯探测器(SCDA)的结构示意
图
30
PMT output charge
[pC×0.25]
High-gain PMT
10MIPs
107MIPs
Low-gain PMT
Inputwith
light
Attenuation of LED-light
ND filter
The dynamic range of the high-gain PMT and low-gain PMT.
为了能有4-5个量级的能量测量范围,每台闪烁体采用两只光电倍增管读
出,分别工作在高增益和低增益状态,使簇射粒子数测量的范围由1个粒子到
107个粒子。
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目前在羊八井已建成 2 期芯探测器阵列
YAC-I array
YAC-II array
50cm
Pb
80cm
Total : 124 YAC detectors
Cover area: ~ 500 m2
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3. 总结
(1)LHAASO项目多物理目标,重点在于发现银河宇宙线源、甚高能伽马
源。
(2)4种主要探测器阵列的规划基本完成,技术设计成熟。样机实验结果表
明设计满足预期效果。
(3) 原型设计工作取得重要进展;新一轮的定性实验研究正在展开。
(4) 模拟计算相关的工作需要完善,如何纳入软件框架需要探讨。
33
谢谢大家!
34

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