Speaker
Mr
丽涛 赵
(辽宁大学)
Description
对宇宙线分成份能谱的精确测量是解决宇宙线起源这一“世纪难题”的途径之一。然而高能宇宙线的探测主要依靠地面实验来实现，成份重建依赖于相互作用模型和能量重建。本文通过利用测量直射契伦科夫光鉴别宇宙线重成份的方法，实现对宇宙线重成分的测量。广角契伦科夫望远镜（WFCTA）是大型高海拔空气簇射观测站（LHAASO）的重要组成部分，本文将重点研究在WFCTA望远镜设置下排除背景契伦科夫光子本底的方法，并结合LHAASO其它探测器（KM2A和WCDA），研究该方法挑选宇宙线重核的能力以及对宇宙线重成分能谱的重建精度的提高。为地面实验提供一种不依赖于相互作用模型和能量重建的方法。
宇宙线中的高能粒子与大气相互作用形成的广延大气簇射中的契伦科夫光主要包括两部分，一是产生于第一次强相互作用之后的背景契伦科夫光，产生的高度在30km以下，大部分光子辐射角度远大于0.4°；二是产生于第一次强相互作用之前的直射契伦科夫光，其强度正比于原初粒子所带电荷的平方，产生的高度在30km以上，辐射角度范围0.1°～0.3°。作为宇宙线中的主要组成成分，质子的直射契伦科夫光强接近为零。因此铁核所引起的广延大气簇射在WFCTA焦平面所成得像在方向位置的像素强度要亮于质子。这给我们提供了一种方法，通过构造参数Ratio（质心像素强度与方向像素强度的比值）去实现宇宙线中的铁核的挑选进而提高铁核能谱的重建精度。
在文中，相同数量的质子和铁核由CORSIKA软件在能量范围30TeV～500TeV以-2的能谱指数模拟产生，并将其归一化到Horandel模型当中。为了分析Ratio对强相互作用的依赖程度，我们选择了QGSJETII-04和EPOS LHC进行对比。我们的分析过程主要包括两部分，第一在WFCTA光学设计下，我们在WFCTA的像素（0.5°）基础上重新模拟了新精度像素（0.25°）阵列，目的为了分析基于我们构造参数Ratio的基础上铁核的挑选率与不同像素精度的联系。挑选的标准为挑选纯度大于0.65。在能量范围30TeV～50TeV，由于背景契伦科夫光强较弱，挑选率是独立于像素精度的设置的，但是在能量范围50TeV～500TeV，由于直射契伦科夫光的辐射角度特点，基于望远镜像素精度0.25°的挑选率要大于像素精度0.5°的挑选率。并且验证了基于Ratio的挑选方法是独立于强相互作用模型的。第二利用望远镜WFCTA将Ratio联合Hillas参数Dist 、Length/Width实现多参数挑选并提升挑选纯度至0.9，分析了Ratio对不同强相互作用模型下挑选率的提升。在QGSJETII -04 模型下，Ratio对于挑选率的提升随着能量先增大而后减小，在大约300TeV达到最大值，而在EPOS LHC模型下，Ratio对于挑选率的提升随着能量一直增大，在500TeV达到最大值。多参数挑选的独立性在QGSJETII -04模型中要大于EPOS LHC模型。
地基宇宙线能谱重建结果依赖于强相互作用模型的选择，而在计算机Monte Carlo模拟中，各种强相互作用模型是建立在一些理论模型基础上，这些理论模型在低能段已被加速器实验所验证，但是在加速器实验达不到的高能段，只好把低能段向外推供高能段使用，这种高能强相互作用模型的不确定性对地基宇宙线能谱重建结果影响很大，在LHAASO项目里，我们可以通过直射契伦科夫方法利用WFCTA获得高纯度的铁核事例再结合KM2A中1221个缪子探测器实现多探测器同时观测，可以帮助我们校验高能段强相互作用模型。
未来直射契伦科夫的观测能段可以延伸至1PeV，但是同时也需要更好的直射契伦科夫光与背景契伦科夫光的鉴别能力，这是因为随着能量增加背景契伦科夫光线性增加而直射契伦科夫光却基本保持稳定。提升直射契伦科夫光的鉴别能力主要包括两方面，一是提高大气契伦科夫望远镜的像素精度，已分别在文中和Hess实验中得到模拟验证和实验验证；二是我们可以利用直射契伦科夫光的时间特性，由于辐射高度的原因，直射契伦科夫光要比背景契伦科夫光晚大约4ns左右到达观测平面，但是由于WFCTA的积分窗口为20ns，所以这一特性可以用在未来的望远镜设计当中。
Primary author
Mr
丽涛 赵
(辽宁大学)
