大气荧光阵列（ WFCA ）对第二膝的测量可行性研究以及样

机的数据分析 刘加丽 曹臻

LHAASO ： WFCA 实验组

2010 年 4 月 19 日

中国科学院高能物理研究所粒子天体重点实验室

中国物理学会高能物理分会第八届学术年会 南昌大学前湖校区

主要内容 WFCA 的物理目标概述 WFCA 阵列的模拟研究 WFCA 样机实验概况及物理目标 样机实验的数据分析 总结与讨论

主要内容 WFCA 的物理目标概述 WFCA 阵列的模拟研究 WFCA 样机实验概况及物理目标 样机实验的数据分析 总结与讨论

WFCA 的物理目标概述

宇宙线的能谱细致结构：膝，第二膝，踝， GZK 截断 WFCA 的物理目标之一： 能量范围： lgE 16.6-18.0 测量第二膝 : 确定其精确位置及细致结构。

LHAASO:FD

WFCA 的物理目标概述

现有的实验对第二膝的成份测量结果较少。 HiRes/MIA 用大气簇射中 µ 的含量信息测量宇宙线成份，

测量结果表明现有的模型不能产生足够多的 µ ，模型需要做修正。

WFCA 物理目标之二：用复合的方法测量第二膝的成份，并且为现有作用模型的修正提供实验测量依据。

广延大气簇射（ EAS ）介绍

hadronic componentelectromagnetic componentmuonic componentCherenkov/fluorescence component

Xmax

Nmax

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WFCA 探测器设置

Tower: 16 ( 4x4 rings) mirrors. elevation: 3o-59o (56o) azimuth : 58o-122o (64o) West: 4 (2x2 rings) mirrors. elevation : 17o-45o (28o) azimuth : -16o-16o (32o) East: 4 (2x2 rings) mirrors. elevation: 17o-45o (28o) azimuth : 164o-196o (32o)

W1-4 E1-4

1-16

10 km

4 km

Trigger:FD1 + FD2 (or FD3)

WFCA 探测的模拟事例

探测事例的选择（一）为了保证数据重建的质量，对数据做以下选择 : 1 ）去掉望远镜上所成的像在拐角处的事例。 2) 光电倍增管与事例主轴所成的夹角大于 20o. 3) 径迹的长度大于 10o. 4) 像的信号加权重心与镜子边缘的角距离大于 3o. 5) 簇射极大 Xmax 的位置须位于望远镜视场内。

事例的选择既保证了对成份测量参数 Xmax 的重建精度，又保证了对 Xmax 测量较小的探测偏差。

为保证能谱测量中能有较平的探测有效面积，对事例做了进一步的几何限制。

1) 16.6<lgE<17.0 Rp<5.5 km 2) 17.0<lgE<17.4 Rp<7.0 km 3) 17.4<lgE<17.8 Rp<8.0 km 4) 17.8<lgE<18.3 Rp<8.0km 事例数概况 energy No cut Cut1 Cut2 lgE>16.6 106672 60807 48112 lgE>17.0 36112 17703 14282 lgE>18.0 596 218 162

Event rate

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WFCA 样机实验概况

WFCA 样机由 7 个子系统组成：机械系统3.0m × 2.5m × 2.3m 的海运集装箱，镜子仰角由底部的液压杆控制（ 0o-60o ）。光收集系统 5m2 的反射镜，镀 MgF2 增透膜，反射效率高于82% 。成像系统 256 个视场为 1ox1o 的 PMT排成 16x16 的阵列，总视场为 14ox16o 。电子学系统 50MHz 的 FADC 记录PMT 测量到的脉冲信号。事例触发和数据采集系统 三级触发： PMT触发，望远镜触发，事例触发。标定系统 LED 标定 : 相对标定和绝对标定。慢控制系统望远镜的姿态控制，开关门，高低压供电，以及状态监测。本地操作和远程控制。

WFCA @ YBJ

Hybrid observation: WFCA & ARGO

50m

WFCA 样机实验概况 运行状态： 2008 年 10 月开始稳定运行，到现在收集到 500,000 立体数据， 700,000 单眼数据。 数据处理

与 ARGO-YBJ 实验进行联合观测，事例 GPS 时间符合精度约为 100ns 。 物理目标 : -- 大于 30TeV 的宇宙线能谱和成份研究。 -- 在空间实验与地面实验测量之间建立一个连接桥梁。

ARGO-YBJ 实验阵列以及探测器结构

WFCA 样机的观测事例

ARGO

Two prototypes

Telescope field of view

实验测量参量的分布

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能量重建—查表方法 Cherenkov 光子产额正比于带电粒子的数目，在某一观测面一定芯距

处测量到的光子总数与原初粒子能量有很强的关联。 查表方法：通过模拟建立原初能量 E ，簇射离探测器的距离 Rp 和观

测到的总光子数目 Npe 的关联表格，根据测量事例的 Rp 和Npe ，即可得出原初能量。

在能量大于 30TeV 时， ARGO-YBJ 的几何重建精度为：芯位 <2 米， 角度 <0.4 度。

能量重建精度 & 能谱初步结果

Cherenkov 角分布 .vs. Xmax

观测平面收集到的 Cherenkov 光子来源

Xmax 重建—像角分布的拟合（ 1 ）找到信号最强的管子，其它的管子与最大信号管子之间形成一个夹角。相近角距离处的信号做平均。用指数函数拟合，得到表征角分布的参数— index 。

Xmax 重建—像角分布的拟合（ 2 ）把像投影到垂直簇射探测器的平面上。找到信号最强的管子，其它的管子与最大信号管子之间形成一个夹角。相近角距离处的信号相加。用线性方程拟合，得到表征角分布的参数— slope 。

Xmax 重建

事例的选择 Xmax 与 slope 的关联

Xmax 重建初步结果

Xmax 分辨率约为 50g/cm2 ，两台探测器的重建差值小于 20g/cm2 。大气荧光实验 Xmax 分辨率约为 30g/cm2 。DICE 实验 Xmax 分辨率约为 70g/cm2 。

总结与讨论 WFCA 阵列对第二膝的能谱和成份测量是可行的。 WFCA 样机用广角 Cherenkov 技术测量 10TeV 以上的能谱和成份。

初步研究结果表明， WFCA 样机能量的分辨率小于 25% 。 成份分析上， Xmax 的分辨率小于 50g/cm2 。

WFCA 阵列模拟中，计划加入 LHAASO 地面阵列 µ 的信息，簇射几何重建实现复合测量，成份分析实现多参数

测量。 样机实验成份分析中加入 ARGO 测量的次级粒子横向分布

信息，实验成份的多参数，多变量测量。

谢谢！

lgE no cut cut1 cut2 17.0 9838.2 5449.8 4704.8 HiRes Stereo 17.1 7480.7 3714.6 2994.9 18.25 190 17.2 5704.1 2761.1 2092.6 18.35 172 17.3 4055.1 1940.1 1410.0 17.4 2866.7 1293.9 1091.8 17.5 2043.7 912.0 752.8 17.6 1416.2 578.2 456.3 17.7 937.5 376.6 292.7 17.8 654.3 256.3 196.4 17.9 436.6 168.4 127.6 18.0 281.6 106.8 79.5 18.1 191.6 66.5 49.3 18.2 123.1 44.7 33.3 >=17.0 36112 17703 14282 >=18.0 596 218 162