WCDA现状---高能物理研究所课件

1、1LHAASO-WCDA大型高海拔水契仑柯夫阵列高能物理学术年会2010/04/17-20 南昌姚志国 中国科学院高能物理研究所2内容提要甚高能伽玛天文观测实验WCDA的结构与布局性能参数研究进展总结甚高能伽玛天文的观测结果到目前为止，共有98个甚高能（VHE，E100 GeV）伽玛源被发现：河内：60个（2009年1月以来：3个）；河外：38个（2009年1月以来：16个）。3高能伽玛天文实验的现状505LHAASO-WCDA计划：性能优势全天候：占空比（duty cycle）：100%，而IACT只有10%；对一个稳定源来说：每天都观测25%，而IACT一年平均下来不到2.5%；可以监测时

2、变源的流强变化。大视场：4/6，而IACT视场角小于5；如果IACT同时只能瞄准1个源，WCDA可以瞄准250个源；可以探寻未知耀变源（包括GRB）；可以观测扩展源。低阈能：高海拔的优势之一；400 m2 100 GeV（同时保证好的角分辨和质子伽玛区分）；低能段和Fermi-LAT相衔接。高角分辨：0.35 1 TeV，3 1 TeV，12 5 TeV；因为强子簇射容易形成次芯（能流或子），水契仑柯夫对次芯更敏感。与IACT互补！高海拔的优势！水契仑柯夫的优势！河外源河外源的观测成为主流：通过HESS、VERITAS等实验的银道面、Cygnus区域扫描，认为基本上把高流强的河内源都发现完了；

3、经验的积累和方法的更新使得河外源的探索成为可能；广角、全天候的FERMI-LAT公布了第一批结果：1451个源（631个身份未定）；其中241个变源（variable）（225个curved）。67河外源的位置和能谱分布能谱随距离变大而变陡？（EBL的吸收？）；北半球发现的源更多（探测器更多）；发现时的流强大都在5% CRAB （ 0.3 TeV）左右（而且可能大都处于近平静期或小爆发期）。WCDA在 河外源观测上的优势优点为：广角+全天候：对耀变源（flare）敏感：WCDA：如果爆发时长在天量级以上，北天区的源100%能够被观测到；IACT：观测到的可能性在没有预警的情况下小于1%，在有预

4、警的情况下为25%。时变源的流强监测：WCDA可以同时监测北半天区内几乎所有时变源的流强变化；0.04 CRAB：周量级（ 3）；0.1 CRAB：天量级；0.2 CRAB：小时量级；1.8 CRAB：分钟量级。IACT：同时只能监测一个。扩展源的观测：IACT受到点扩展函数的限制；WCDA有优势（0.2）。8主要目标：观测和测量发现竞争力：50%9阵列的结构示意图阵列150150 m2的水池；4 m有效水深；由3030 = 900个探测器单元组成；900个8 inch的光电倍增管；等效于计划中HAWC的规模。9150 m，30个单元150 m，30个单元WCDA的性能参数：阵列1011整个阵

5、列的布局4个 阵列：总面积90000 m2； 3600个单元。布局：或者相隔一定距离铺设；或者合并成一个大水池。还可能需要增加或者利用一些外围探测器。11300 m，60个单元300 m，60个单元阵列布局的优化4个独立运行的阵列，各为150150 m2；2个独立运行的阵列，每个为300150 m2；整体1个阵列，大小为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对现有VHE河外源的灵敏度14线形的颜色代表不同的能谱指数，与相同颜色

6、的数据点做对比。24个VHE河外源中：4-6个能谱较陡的源在灵敏度之外；但5年的运行基本会观测到所有的发现源（因为源的能谱为平静期的参数）。爆发期也可探测到：流强10倍于平静期；时长约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（围绕Mrk421）：0.2：11670.03：200.15：625AGN identification：多波段时变的相关分析；但IACT较难。15能量分辨能量分辨：Fermi-LAT：15%IACT：15-25%WCDA：200%-15%幂谱：实验观测到的源在测量误差范围内都是幂谱；能谱

7、系数和指数的计算与logE/logE及事例数相关；借助精确的MC和Likelihood拟合可以进行精细的能谱分析。1617探测器原形实验（Prototype）大型水箱：7m直径，5 m高；8 inch PMT置于水底，向上观测。符合观测：上下放置3层各1 m2的闪烁体。水净化和循环系统：注满净化后的自来水，然后循环净化。记录宇宙线子产生的契仑柯夫光。172层1m2的闪烁体1层1m2的闪烁体5 m7 m实验运行及结果185%11%-15%-29%水衰减长度测量和PMT扫描系统19XZXY20工程阵列实验（Engineering Array）1515 m2水池；水深4.5 m（其中PMT顶部以上：

8、4 m）；用隔光帘隔开，自然形成9个55 m2单元；水底中央放置9支PMT（滨松R5912，8 inch），向上观测；规模为全阵列的1/400；记录宇宙线引起的簇射：、e、 产生的契仑柯夫光；与ARGO-YBJ离线符合。2021工程阵列的设计与施工2122LHAASO-WCDA计划：实验阶段22探测器原形（2009.6）光电倍增管测试电子学设计工程阵列（2010.7） 阵列（2014.8？）全阵列（2016.8？）软件工作物理分析工程建设阶段技术可行性WCDA：结构相对简单：水+PMT；技术上证明可行：SK、AUGER、大亚湾、WCDA原型实验和工程阵列的设计；大气簇射阵列：经验丰富，物理内容

9、多。IACT或GAW：精密加工类型，国内力量薄弱；从未加入过国际合作，技术储备不足；研发周期长，国际上无竞争力，无突破的潜力；可以投入较小的力量来参与国际合作，学习整套技术，为将来做准备。23性价比性价比：（单位：人民币，1 USD = 7 RMB）Fermi-LAT：13.7亿（仅美国）；HESS：7000万 200 = 广角；CTA：10.5亿 200 = 广角；ARGO：4000万 900 = WCDA（灵敏度至少差30倍）；GAW：价格4000万？24 24 12 = WCDA（立体角），大部分能区的灵敏度也差（2），而且工作能区窄。共需9.6亿；WCDA：3亿 。24基础条件和优势IACT或GAW：羊八井的气候、湿度条件不适合于望远镜的工作；高海拔对IACT或GAW的性能改善微乎其微；需另开辟实验基地。羊八井高海拔宇宙线观测站：大面积的高海拔平地是我国得天独厚的自然条件；已经具有良好的研究基地；能够吸引国际同行参加；同时可以开展宇宙线及交叉学科的研究。25总结甚高能伽玛天文的发展，一直需要全天候、大视场的探