西藏羊八井a(chǎn)rgo-ybj宇宙線觀測(cè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)展

初級(jí)宇重視粒子實(shí)驗(yàn)研究,將其作為一個(gè)大的粒子直接識(shí)別空氣中的能量宇宙線是宇宙中具有很高能量的微觀粒子。這些顆粒在起源、加速和傳播過(guò)程中運(yùn)輸著重要的信息。這是目前可以獲得的太陽(yáng)系外唯一的物質(zhì)樣本。它也是一座連接宇宙和無(wú)窮小顆粒的橋梁。在天體物理源中加速出來(lái)的宇宙線粒子一般稱為“初級(jí)宇宙線”,初級(jí)宇宙線在傳播過(guò)程中,與星際空間氣體相互作用而產(chǎn)生的新的粒子,稱為“次級(jí)宇宙線”。初級(jí)宇宙線和次級(jí)宇宙線合稱為原初宇宙線,原初宇宙線也就是能夠到達(dá)地球大氣層的宇宙線粒子。觀測(cè)表明,初級(jí)宇宙線的主要成分是極化了的核子和原子核,在TeV能區(qū)附近質(zhì)子約占79%,α粒子(氦核)約占14%,其它重核約占5%,另外還有1%的電子、不足1%的光子和中微子。在歷史上,許多的粒子是在宇宙線的研究中發(fā)現(xiàn)的(如正電子、μ子、π介子、K介子、一些重子和超子等)。雖然隨著大型加速器的發(fā)展,近年來(lái),宇宙線在這方面的角色有所淡化,但宇宙線依然是研究中微子振蕩、量子引力效應(yīng)和直接、間接尋找暗物質(zhì)粒子不可缺少的方法。此外,宇宙線自身也有很多未解之迷,宇宙線的起源、加速和傳播問(wèn)題就是其中三個(gè)最基本的問(wèn)題。1我國(guó)宇皇線的探測(cè)傳統(tǒng)—ARGO-YBJ實(shí)驗(yàn)物理目標(biāo)和探測(cè)原理中意合作西藏羊八井ARGO-YBJ(AstrophysicalRadiationwithGround-basedObservatoryatYangBaJing)實(shí)驗(yàn)位于我國(guó)西藏自治區(qū)當(dāng)雄縣羊八井鎮(zhèn),東經(jīng)90.53°,北緯30.11°,海拔4300m,距離首府拉薩僅90km。這里交通方便,地勢(shì)開闊,與電廠和牧民為鄰,供給便利,被諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主J.W.Cronin教授譽(yù)為國(guó)際上品質(zhì)最高的宇宙線觀測(cè)站之一。該實(shí)驗(yàn)突破了以前探測(cè)EAS(ExtensiveAirShower,廣延大氣簇射)一般采用點(diǎn)陣式陣列的傳統(tǒng),在世界上第一個(gè)采用了“地毯式”技術(shù)來(lái)探測(cè)EAS。在技術(shù)上,把傳統(tǒng)的EAS點(diǎn)陣取樣發(fā)展為全收集觀測(cè),降低了閾能,但又保持了傳統(tǒng)EAS陣列寬視場(chǎng)、全天候的特點(diǎn),期望它能覆蓋目前衛(wèi)星實(shí)驗(yàn)與地面試驗(yàn)的空白能區(qū),為研究宇宙線的起源、加速和傳播做出突出貢獻(xiàn)。ARGO是希臘神話中一個(gè)長(zhǎng)有百只眼而從不停歇的巨獸,用它命名該實(shí)驗(yàn)十分形象。1.1實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)和方法建造羊八井大型“地毯式”陣列的想法是在CGRO(ComptonGammaRayObservation)上的EGRET(EnergeticGammaRayExperimentTelescope)取得大豐收之際,地面γ天文陣列長(zhǎng)期看不到γ源,人們紛紛轉(zhuǎn)向地面C姚erenkov實(shí)驗(yàn)的形勢(shì)下提出的。當(dāng)時(shí)提出的能夠進(jìn)入0.1TeV空白能區(qū)以及大大提高實(shí)驗(yàn)靈敏度的目標(biāo)是很有勇氣并令人激動(dòng)的。與靈敏度、準(zhǔn)確度較高且有絕好的γ/p分辨能力的大型IACT相比,它繼承了傳統(tǒng)的EAS粒子多點(diǎn)取樣、寬視場(chǎng)、全天候的優(yōu)點(diǎn),彌補(bǔ)了IACT只能在晴朗無(wú)月夜晚和遠(yuǎn)離城市的地方觀測(cè)的缺點(diǎn)。有利于對(duì)多個(gè)已知源進(jìn)行長(zhǎng)期的、連續(xù)的監(jiān)測(cè)和對(duì)未知源或非穩(wěn)定源及爆發(fā)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)和全程監(jiān)測(cè)。此外,它還擔(dān)負(fù)著IACT難以涉及的超高能區(qū)宇宙線和“膝”區(qū)物理研究的重任。與同樣位于羊八井的中日ASγ陣列相比,它具有閾能更低、靈敏度更高和有一定的γ/p分辨能力等優(yōu)點(diǎn),所以在γ天文上它很可能會(huì)觀測(cè)到一些Crab以外的穩(wěn)定源和強(qiáng)度更弱、持續(xù)時(shí)間更短的爆發(fā)式活動(dòng)現(xiàn)象。在“膝”區(qū)物理方面,它可以獨(dú)立進(jìn)行實(shí)驗(yàn)而不必與其它探測(cè)器聯(lián)合實(shí)驗(yàn),可利用觀測(cè)到的每個(gè)EAS的詳細(xì)時(shí)空分布,在很大程度上實(shí)現(xiàn)對(duì)原初成分的事例判別。ARGO-YBJ實(shí)驗(yàn)的物理目標(biāo)主要包括:(1)在γ天文方面包括:γ點(diǎn)源、彌散γ射線與γ射線暴的尋找、監(jiān)測(cè)和研究;(2)在宇宙線方面包括:太陽(yáng)宇宙線物理、測(cè)量原初質(zhì)子成分能譜、對(duì)宇宙線“膝區(qū)”物理的研究、測(cè)量宇宙線中正反質(zhì)子的相對(duì)比率、宇宙線大尺度各向異性的研究等。1.2中心“地面”ARGO實(shí)驗(yàn)的陣列布局如圖1所示,整個(gè)陣列分為兩部分:中間的“中心區(qū)”和外圍的“監(jiān)護(hù)環(huán)”。中心區(qū)是由10×13個(gè)探測(cè)器群(Cluster)所構(gòu)成的中心“地毯”,面積為74×78m2,每個(gè)Cluster由12個(gè)高阻性平板探測(cè)器(RPC)組成,每塊RPC又包含有10個(gè)基本的探測(cè)器單元(PAD)。為了有效區(qū)分芯內(nèi)事例和芯外事例,并增大實(shí)驗(yàn)的有效觸發(fā)面積,在中心“地毯”的外圍,又布置了一圈“監(jiān)護(hù)環(huán)”,由24個(gè)Cluster構(gòu)成。因此,整個(gè)陣列包含有154個(gè)Cluster,共計(jì)18480個(gè)PAD,探測(cè)器的總面積約為6400m2。1.3氣體放電結(jié)果RPC是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的氣體探測(cè)器。如圖2所示,它由上下兩層高阻性平板(高度2mm)和四周的邊框構(gòu)成一個(gè)封閉氣體室,為了更精確地記錄事例到達(dá)的時(shí)間和位置,又把每個(gè)RPC分為了10個(gè)PAD,每個(gè)PAD包含有8個(gè)讀出條。在氣體室里面充有氬氣、異丁烷和氟利昂,其中氬氣是工作氣體,異丁烷是為了減少氣體放電時(shí)所產(chǎn)生的紫外線再生光電電離,氟利昂是為了減少放電范圍。當(dāng)EAS中的帶電粒子打進(jìn)氣體室后,就會(huì)電離工作氣體,產(chǎn)生電子和正離子,電子和正離子在外部電場(chǎng)的作用下,分別向陽(yáng)極和陰極漂移。在電子漂移過(guò)程中會(huì)發(fā)生雪崩,形成一個(gè)由離子構(gòu)成的椎體,雪崩產(chǎn)生的正離子又會(huì)與電子復(fù)合產(chǎn)生光子,光子在椎體外圍又打出光電子,這樣光電子又會(huì)引起雪崩。由于離子對(duì)的不斷產(chǎn)生,在兩極之間形成一個(gè)放電通路。一旦發(fā)生放電,兩極之間就會(huì)有很大的壓降,在讀出條上就可以感應(yīng)到脈沖信號(hào)。通過(guò)前段電子學(xué)甄別后送往地方站,記錄信號(hào)到達(dá)的時(shí)間和位置。2argoybj實(shí)驗(yàn)成就的總結(jié)2.1crab源和mrk421的有關(guān)由于ARGO-YBJ實(shí)驗(yàn)自2007年穩(wěn)定運(yùn)行并正式收集數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)量還不夠大,所以用它來(lái)分析γ天文,目前主要著眼于研究已知源、活動(dòng)星系核的爆發(fā)以及對(duì)γ爆的流強(qiáng)做出限制。在研究中,分別采用了兩種獨(dú)立的方法來(lái)估計(jì)本底:“time-swapping”方法和等天頂角方法,雖然這兩種方法不同,但給出了相似的結(jié)果。Crab源(蟹狀星云)在全波段均有穩(wěn)定的輻射,而且明亮,因此一直被當(dāng)作天體輻射的“標(biāo)準(zhǔn)燭光”,Crab源也就成了ARGO-YBJ實(shí)驗(yàn)的第一個(gè)探測(cè)目標(biāo)。利用ARGO-YBJ實(shí)驗(yàn)800天的數(shù)據(jù),觀測(cè)到了來(lái)自Crab源的顯著性為14.5б的γ射線輻射,如圖3所示,TibetAs-γ,HESS,MAGIC這3個(gè)實(shí)驗(yàn)與ARGO-YBJ實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。Mrk421是一個(gè)距銀河系較近的閃耀型(Blazer)天體,1991年被空間實(shí)驗(yàn)確定為兆電子伏至吉電子伏(106~109電子伏)能區(qū)的γ源,以高度可變著名。2008年,ASMX射線望遠(yuǎn)鏡在X射線能段觀測(cè)到了Mrk421在2008年6月4日至6日及11日至13日的兩次爆發(fā),這次爆發(fā)的最高顯著性可達(dá)4.28σ,ARGO實(shí)驗(yàn)也從中觀測(cè)到了γ輻射,如圖4所示。圖5顯示的是Mrk421在這次爆發(fā)時(shí)的能譜,并與Whipple實(shí)驗(yàn)以前對(duì)它能譜的測(cè)量做了對(duì)比,可以看出兩個(gè)實(shí)驗(yàn)給出了相同的能譜指數(shù)和流強(qiáng)結(jié)果,證明這是Mrk421的本身特性。2.2宇重視了因?qū)嶒?yàn)而產(chǎn)生的陰效應(yīng)ARGO-YBJ實(shí)驗(yàn)在宇宙線物理方面的研究目前主要在以下幾個(gè)方面:研究TeV能區(qū)宇宙線大尺度各向異性、月影、質(zhì)子/反質(zhì)子比率、質(zhì)子/空氣的作用截面、全粒子能譜等。因?yàn)橛钪婢€成分中大多是帶電粒子,所以宇宙線在傳播時(shí)會(huì)受到空間磁場(chǎng)的作用而偏轉(zhuǎn),其方向偏離源的方向,又由于星際磁場(chǎng)和太陽(yáng)風(fēng)磁場(chǎng)的復(fù)雜性和粒子運(yùn)動(dòng)方向的隨機(jī)性以及傳播路程的長(zhǎng)短變化等,從而導(dǎo)致在地球上觀測(cè)到的宇宙線呈現(xiàn)高度的各向同性性質(zhì)。但是,近幾年的各個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果(如KASCAD實(shí)驗(yàn)、AGASA實(shí)驗(yàn)、ASγ實(shí)驗(yàn)等)顯示出不同能量段的宇宙線存在量級(jí)不等的大尺度各向異性。宇宙線各向異性關(guān)系到宇宙線的起源、空間環(huán)境對(duì)宇宙線的加速以及宇宙線在星際磁場(chǎng)中的傳播過(guò)程,所以對(duì)宇宙線各向異性的觀測(cè)和研究有著非常重要的意義。利用ARGO-YBJ實(shí)驗(yàn)2007年311天和2009年220天的數(shù)據(jù),得到了該實(shí)驗(yàn)對(duì)可觀測(cè)天區(qū)的第一張各向異性天圖,如圖6所示,它的平滑半徑為5°。從圖上可以看出在天圖中出現(xiàn)了兩個(gè)主要的宇宙線流強(qiáng)超出區(qū)域。在理論上,一些專家也給出了TeV能區(qū)各向異性的可能解釋。觀測(cè)原初宇宙線的月亮陰影效應(yīng),是宇宙線物理的一個(gè)很重要的課題。原初宇宙線向地球傳播過(guò)程中,由于受到月亮的影響會(huì)形成一個(gè)宇宙線流強(qiáng)缺失,稱為月亮的陰影效應(yīng),簡(jiǎn)稱為月影。由于地球磁場(chǎng)和太陽(yáng)磁場(chǎng)的存在,原初宇宙線會(huì)偏離原來(lái)的運(yùn)動(dòng)方向,使月影的視位置發(fā)生偏移,這樣地面探測(cè)器所探測(cè)到的陰影偏離方向會(huì)與原初宇宙線粒子的偏轉(zhuǎn)方向相反。地面實(shí)驗(yàn)可以觀測(cè)到這個(gè)效應(yīng)的3個(gè)關(guān)鍵參數(shù):大小、位置、月影的西向偏移量。通過(guò)對(duì)這些量的測(cè)量可以得到實(shí)驗(yàn)的角分辨率及對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行能量標(biāo)定(約為1°)。圖7顯示的是ARGO-YBJ實(shí)驗(yàn)利用2063h的數(shù)據(jù)所得到的月影圖,最高顯著性為43σ。通過(guò)觀測(cè)月影內(nèi)的反質(zhì)子還可以對(duì)的流強(qiáng)比做出限制,圖8中包括衛(wèi)星實(shí)驗(yàn)和地面實(shí)驗(yàn),由于探測(cè)手段的不同,它們測(cè)量的能段也有所不同,衛(wèi)星實(shí)驗(yàn)低于100GeV,地面實(shí)驗(yàn)則可達(dá)幾十個(gè)TeV。目前,ARGO-YBJ實(shí)驗(yàn)測(cè)得在平均能量為2TeV時(shí),p/p流強(qiáng)上限為0.03(90%的置信水平)。從幾個(gè)TeV到100個(gè)TeV質(zhì)子—空氣作用截面的測(cè)量也是一個(gè)重要的問(wèn)題,在不同的天頂角(θ)上大氣簇射的流強(qiáng)可通過(guò)下式求解:其中h0為實(shí)驗(yàn)所在位置的大氣深度(ARGO-YBJ實(shí)驗(yàn)為606g/cm2),∧為質(zhì)子在空氣中的吸收長(zhǎng)度。由于非彈性碰撞,簇射的波動(dòng)和探測(cè)器的分辨率等原因,它不同于質(zhì)子的作用長(zhǎng)度λint,它們之間的關(guān)系為∧=kλint,其中k必須由模擬決定。質(zhì)子—空氣作用截面可由下式獲得:如圖9所示,ARGO-YBJ實(shí)驗(yàn)在5個(gè)不同的能量都與Glauber模型預(yù)言的結(jié)果不謀而合。宇宙線的能譜在很寬能量范圍內(nèi)符合指數(shù)大約為-3的冪律分布,它成為研究高能粒子加速源、銀河系磁場(chǎng)分布及物質(zhì)分布等天體物理現(xiàn)象的重要工具。ARGO-YBJ實(shí)驗(yàn)也對(duì)宇宙線能譜進(jìn)行了測(cè)量,采用一定的數(shù)據(jù)判選條件,利用2008年1月至5月的75×106個(gè)左右的事例,得出了它對(duì)宇宙線能譜分析的初步結(jié)果,如圖10所示。并與其它空間實(shí)驗(yàn)和地面實(shí)驗(yàn)的結(jié)果做了對(duì)比,從圖10中可以看出,ARGO-YBJ實(shí)驗(yàn)的結(jié)果與其它實(shí)驗(yàn)的結(jié)果基本一致,這也是對(duì)地面實(shí)驗(yàn)可靠性的另一個(gè)檢驗(yàn)。為了減少系統(tǒng)誤差和提高觀測(cè)能段,更大統(tǒng)計(jì)量的分析工作目前也在進(jìn)行中。3實(shí)驗(yàn)方面的優(yōu)勢(shì)西藏羊八井宇宙線觀測(cè)站具有高海拔、寬視場(chǎng)、全天候等特點(diǎn)。中意ARGO-YBJ實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的啟動(dòng)給羊八井地面陣列實(shí)驗(yàn)帶來(lái)了更多的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。在海拔4300m的高原上建立10,000m2的全覆蓋氣體探測(cè)器陣列在世界上尚屬首次。如何使探測(cè)器正常工作,這本身就是一種挑戰(zhàn),再加上高的記數(shù)率給數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和傳輸帶來(lái)的技術(shù)問(wèn)題都是前所未有的。幸運(yùn)的是在中意雙方科學(xué)家的共同努力下,各個(gè)技術(shù)難點(diǎn)被一一被攻破。目前,ARGO-YBJ實(shí)驗(yàn)在γ天文和宇宙線物理方面已經(jīng)取得了初步的成果,該實(shí)驗(yàn)的取樣觀測(cè)率高達(dá)90%,希望用這些探測(cè)設(shè)備統(tǒng)一覆蓋超高能和甚高能區(qū)。由于ARGO-YBJ實(shí)驗(yàn)的大型“地毯式”收集面積,以及寬視場(chǎng)、全天候的特點(diǎn),它具有空