西藏羊八井argo-ybj宇宙线观测实验进展

西藏羊八井argo-ybj宇宙线观测实验进展

初级宇重视粒子实验研究,将其作为一个大的粒子直接识别空气中的能量宇宙线是宇宙中具有很高能量的微观粒子。这些颗粒在起源、加速和传播过程中运输着重要的信息。这是目前可以获得的太阳系外唯一的物质样本。它也是一座连接宇宙和无穷小颗粒的桥梁。在天体物理源中加速出来的宇宙线粒子一般称为“初级宇宙线”,初级宇宙线在传播过程中,与星际空间气体相互作用而产生的新的粒子,称为“次级宇宙线”。初级宇宙线和次级宇宙线合称为原初宇宙线,原初宇宙线也就是能够到达地球大气层的宇宙线粒子。观测表明,初级宇宙线的主要成分是极化了的核子和原子核,在TeV能区附近质子约占79%,α粒子(氦核)约占14%,其它重核约占5%,另外还有1%的电子、不足1%的光子和中微子。在历史上,许多的粒子是在宇宙线的研究中发现的(如正电子、μ子、π介子、K介子、一些重子和超子等)。虽然随着大型加速器的发展,近年来,宇宙线在这方面的角色有所淡化,但宇宙线依然是研究中微子振荡、量子引力效应和直接、间接寻找暗物质粒子不可缺少的方法。此外,宇宙线自身也有很多未解之迷,宇宙线的起源、加速和传播问题就是其中三个最基本的问题。1我国宇皇线的探测传统—ARGO-YBJ实验物理目标和探测原理中意合作西藏羊八井ARGO-YBJ(AstrophysicalRadiationwithGround-basedObservatoryatYangBaJing)实验位于我国西藏自治区当雄县羊八井镇,东经90.53°,北纬30.11°,海拔4300m,距离首府拉萨仅90km。这里交通方便,地势开阔,与电厂和牧民为邻,供给便利,被诺贝尔物理学奖得主J.W.Cronin教授誉为国际上品质最高的宇宙线观测站之一。该实验突破了以前探测EAS(ExtensiveAirShower,广延大气簇射)一般采用点阵式阵列的传统,在世界上第一个采用了“地毯式”技术来探测EAS。在技术上,把传统的EAS点阵取样发展为全收集观测,降低了阈能,但又保持了传统EAS阵列宽视场、全天候的特点,期望它能覆盖目前卫星实验与地面试验的空白能区,为研究宇宙线的起源、加速和传播做出突出贡献。ARGO是希腊神话中一个长有百只眼而从不停歇的巨兽,用它命名该实验十分形象。1.1实验目标和方法建造羊八井大型“地毯式”阵列的想法是在CGRO(ComptonGammaRayObservation)上的EGRET(EnergeticGammaRayExperimentTelescope)取得大丰收之际,地面γ天文阵列长期看不到γ源,人们纷纷转向地面C姚erenkov实验的形势下提出的。当时提出的能够进入0.1TeV空白能区以及大大提高实验灵敏度的目标是很有勇气并令人激动的。与灵敏度、准确度较高且有绝好的γ/p分辨能力的大型IACT相比,它继承了传统的EAS粒子多点取样、宽视场、全天候的优点,弥补了IACT只能在晴朗无月夜晚和远离城市的地方观测的缺点。有利于对多个已知源进行长期的、连续的监测和对未知源或非稳定源及爆发现象的发现和全程监测。此外,它还担负着IACT难以涉及的超高能区宇宙线和“膝”区物理研究的重任。与同样位于羊八井的中日ASγ阵列相比,它具有阈能更低、灵敏度更高和有一定的γ/p分辨能力等优点,所以在γ天文上它很可能会观测到一些Crab以外的稳定源和强度更弱、持续时间更短的爆发式活动现象。在“膝”区物理方面,它可以独立进行实验而不必与其它探测器联合实验,可利用观测到的每个EAS的详细时空分布,在很大程度上实现对原初成分的事例判别。ARGO-YBJ实验的物理目标主要包括:(1)在γ天文方面包括:γ点源、弥散γ射线与γ射线暴的寻找、监测和研究;(2)在宇宙线方面包括:太阳宇宙线物理、测量原初质子成分能谱、对宇宙线“膝区”物理的研究、测量宇宙线中正反质子的相对比率、宇宙线大尺度各向异性的研究等。1.2中心“地面”ARGO实验的阵列布局如图1所示,整个阵列分为两部分:中间的“中心区”和外围的“监护环”。中心区是由10×13个探测器群(Cluster)所构成的中心“地毯”,面积为74×78m2,每个Cluster由12个高阻性平板探测器(RPC)组成,每块RPC又包含有10个基本的探测器单元(PAD)。为了有效区分芯内事例和芯外事例,并增大实验的有效触发面积,在中心“地毯”的外围,又布置了一圈“监护环”,由24个Cluster构成。因此,整个阵列包含有154个Cluster,共计18480个PAD,探测器的总面积约为6400m2。1.3气体放电结果RPC是一种结构简单的气体探测器。如图2所示,它由上下两层高阻性平板(高度2mm)和四周的边框构成一个封闭气体室,为了更精确地记录事例到达的时间和位置,又把每个RPC分为了10个PAD,每个PAD包含有8个读出条。在气体室里面充有氩气、异丁烷和氟利昂,其中氩气是工作气体,异丁烷是为了减少气体放电时所产生的紫外线再生光电电离,氟利昂是为了减少放电范围。当EAS中的带电粒子打进气体室后,就会电离工作气体,产生电子和正离子,电子和正离子在外部电场的作用下,分别向阳极和阴极漂移。在电子漂移过程中会发生雪崩,形成一个由离子构成的椎体,雪崩产生的正离子又会与电子复合产生光子,光子在椎体外围又打出光电子,这样光电子又会引起雪崩。由于离子对的不断产生,在两极之间形成一个放电通路。一旦发生放电,两极之间就会有很大的压降,在读出条上就可以感应到脉冲信号。通过前段电子学甄别后送往地方站,记录信号到达的时间和位置。2argoybj实验成就的总结2.1crab源和mrk421的有关由于ARGO-YBJ实验自2007年稳定运行并正式收集数据,数据量还不够大,所以用它来分析γ天文,目前主要着眼于研究已知源、活动星系核的爆发以及对γ爆的流强做出限制。在研究中,分别采用了两种独立的方法来估计本底:“time-swapping”方法和等天顶角方法,虽然这两种方法不同,但给出了相似的结果。Crab源(蟹状星云)在全波段均有稳定的辐射,而且明亮,因此一直被当作天体辐射的“标准烛光”,Crab源也就成了ARGO-YBJ实验的第一个探测目标。利用ARGO-YBJ实验800天的数据,观测到了来自Crab源的显著性为14.5б的γ射线辐射,如图3所示,TibetAs-γ,HESS,MAGIC这3个实验与ARGO-YBJ实验结果一致。Mrk421是一个距银河系较近的闪耀型(Blazer)天体,1991年被空间实验确定为兆电子伏至吉电子伏(106~109电子伏)能区的γ源,以高度可变著名。2008年,ASMX射线望远镜在X射线能段观测到了Mrk421在2008年6月4日至6日及11日至13日的两次爆发,这次爆发的最高显著性可达4.28σ,ARGO实验也从中观测到了γ辐射,如图4所示。图5显示的是Mrk421在这次爆发时的能谱,并与Whipple实验以前对它能谱的测量做了对比,可以看出两个实验给出了相同的能谱指数和流强结果,证明这是Mrk421的本身特性。2.2宇重视了因实验而产生的阴效应ARGO-YBJ实验在宇宙线物理方面的研究目前主要在以下几个方面:研究TeV能区宇宙线大尺度各向异性、月影、质子/反质子比率、质子/空气的作用截面、全粒子能谱等。因为宇宙线成分中大多是带电粒子,所以宇宙线在传播时会受到空间磁场的作用而偏转,其方向偏离源的方向,又由于星际磁场和太阳风磁场的复杂性和粒子运动方向的随机性以及传播路程的长短变化等,从而导致在地球上观测到的宇宙线呈现高度的各向同性性质。但是,近几年的各个实验结果(如KASCAD实验、AGASA实验、ASγ实验等)显示出不同能量段的宇宙线存在量级不等的大尺度各向异性。宇宙线各向异性关系到宇宙线的起源、空间环境对宇宙线的加速以及宇宙线在星际磁场中的传播过程,所以对宇宙线各向异性的观测和研究有着非常重要的意义。利用ARGO-YBJ实验2007年311天和2009年220天的数据,得到了该实验对可观测天区的第一张各向异性天图,如图6所示,它的平滑半径为5°。从图上可以看出在天图中出现了两个主要的宇宙线流强超出区域。在理论上,一些专家也给出了TeV能区各向异性的可能解释。观测原初宇宙线的月亮阴影效应,是宇宙线物理的一个很重要的课题。原初宇宙线向地球传播过程中,由于受到月亮的影响会形成一个宇宙线流强缺失,称为月亮的阴影效应,简称为月影。由于地球磁场和太阳磁场的存在,原初宇宙线会偏离原来的运动方向,使月影的视位置发生偏移,这样地面探测器所探测到的阴影偏离方向会与原初宇宙线粒子的偏转方向相反。地面实验可以观测到这个效应的3个关键参数:大小、位置、月影的西向偏移量。通过对这些量的测量可以得到实验的角分辨率及对实验进行能量标定(约为1°)。图7显示的是ARGO-YBJ实验利用2063h的数据所得到的月影图,最高显著性为43σ。通过观测月影内的反质子还可以对的流强比做出限制,图8中包括卫星实验和地面实验,由于探测手段的不同,它们测量的能段也有所不同,卫星实验低于100GeV,地面实验则可达几十个TeV。目前,ARGO-YBJ实验测得在平均能量为2TeV时,p/p流强上限为0.03(90%的置信水平)。从几个TeV到100个TeV质子—空气作用截面的测量也是一个重要的问题,在不同的天顶角(θ)上大气簇射的流强可通过下式求解:其中h0为实验所在位置的大气深度(ARGO-YBJ实验为606g/cm2),∧为质子在空气中的吸收长度。由于非弹性碰撞,簇射的波动和探测器的分辨率等原因,它不同于质子的作用长度λint,它们之间的关系为∧=kλint,其中k必须由模拟决定。质子—空气作用截面可由下式获得:如图9所示,ARGO-YBJ实验在5个不同的能量都与Glauber模型预言的结果不谋而合。宇宙线的能谱在很宽能量范围内符合指数大约为-3的幂律分布,它成为研究高能粒子加速源、银河系磁场分布及物质分布等天体物理现象的重要工具。ARGO-YBJ实验也对宇宙线能谱进行了测量,采用一定的数据判选条件,利用2008年1月至5月的75×106个左右的事例,得出了它对宇宙线能谱分析的初步结果,如图10所示。并与其它空间实验和地面实验的结果做了对比,从图10中可以看出,ARGO-YBJ实验的结果与其它实验的结果基本一致,这也是对地面实验可靠性的另一个检验。为了减少系统误差和提高观测能段,更大统计量的分析工作目前也在进行中。3实验方面的优势西藏羊八井宇宙线观测站具有高海拔、宽视场、全天候等特点。中意ARGO-YBJ实验项目的启动给羊八井地面阵列实验带来了更多的机遇和挑战。在海拔4300m的高原上建立10,000m2的全覆盖气体探测器阵列在世界上尚属首次。如何使探测器正常工作,这本身就是一种挑战,再加上高的记数率给数据存储和传输带来的技术问题都是前所未有的。幸运的是在中意双方科学家的共同努力下,各个技术难点被一一被攻破。目前,ARGO-YBJ实验在γ天文和宇宙线物理方面已经取得了初步的成果,该实验的取样观测率高达90%,希望用这些探测设备统一覆盖超高能和甚高能区。由于ARGO-YBJ实验的大型“地毯式”收集面积,以及宽视场、全天候的特点,它具有空