粒子天体物理-中国科学院高能物理研究所

粒子天体物理2．1地面宇宙线试验观测和宇宙线超高能物理2．1．1羊八井国际宇宙线观测站1．羊八井ARGO实验羊八井宇宙线观测站位于西藏拉萨市西北90公里的青藏和中尼公路交叉点附近，念青唐古拉山脚下的一个长约70公里、宽约7—15公里的小盆地内。有地热电厂为邻，冬天基本无积雪，交通、通讯常年畅通。目前的中意合作羊八井ARGO实验就坐落这里，占地70亩。羊八井ARGO实验，是北半球最高、自然和社会条件最好的宇宙线地面实验，就甚高能射线天文、超高能宇宙射线和太阳活动变化进行全天候的常年持续的观测和研究。阵列将由130个Cluster约5500m2的中心“地毯”和由24个Cluster的RPC构成的外围保护圈组成，全部安装在由聚氨脂夹心板建成的1万m2实验大厅内。有18000路电子学数据采集通道，设计每分钟可记录百万个广延大气簇射。迄今已安装完104个Cluster(4400m2)并投入试运行。其特点为：1.高海拔加上全覆盖（地毯），能在地面开展低阈能、高灵敏度、宽视场、全天侯天文。2.将传统的取样式EAS阵列发展到极致－全覆盖，能对宇宙线事例的精细结构做深入研究，使之成为测量宇宙线成分的有力工具。3.多达近1.8万路的低阈能、低纬度单道计数为监测太阳活动提供了极佳的条件，可用于高能太阳耀斑伴随的宇宙线事例的研究。2005年，中方为完成104个cluster共4400m2探测面积的安装与调试，保证上半年的42个cluster（1800m2）和第四季度的78个cluster（3300m2）连续稳定运行以及物理分析做出的巨大贡献，为2006年全面完成ARGO探测器建设任务奠定了坚实的基础。下面分1）探测器建设；2）探测器标定；3）探测器试运行；4）宇宙线事例重建；5）初步物理分析；6）国际/国内合作及学术活动；7）人才培养等方面介绍ARGO实验开展的情况。(1)探测器建设：为了加快探测器安装进度，加强中方对实验进度控制的主动权，2005年，中方组织了四个安装梯队独立安装调试探测器，每个梯队在羊八井工作三个月，到目前为止共安装了63个探测器，使铺装的探测器达到了105个，共4400平方米。从10月初开始有78个探测器投入运行，灵敏面积达到3300平方米，每天产生大于100GB的数据。如下图所示：图1：ARGO实验探测器分布图。绿色为已安装部分，红框内为投入运行部分。238237236235234233232231230229228227226225224223222221220219218217216215214213212211210209208207206205204203202201200199198197196195194193192191190189188187186185184183182181180179178177176175174173172171170169168167166165164163162161160159158157156155154153152151150149148147146145144143142141140139138137136135134133132131130129128127126125124123122121120119118117116115114113112111110109108107106105104103102101100999897969594939291908988878685848382818079787776757473727170696867666564636261605958575655545352515049484746454443424140393837363534333231302928272625242322212019181716151413121110987654321(2)探测器标定：中意双方在探测器试运行伊始就投入大量精力对探测器进行标定。包括用宇宙线MUON望远镜对已安装探测器的实地标定和利用大量实测宇宙线事例的统计分布迭代平均所做的离线标定。中方合作组组织了一定规模（147平方米）的实地标定，虽然工作强度很大，但为合作组提供了关键的对探测器标定最终的检验标准。中意双方独立发展的离线标定方法经历了大量MC模拟计算结果的验证和交叉检验，最终达成了统一的标定模式。初步完成了探测器标定任务。(3)探测器运行：为尽早尽快开展物理研究，我们一直坚持边安装边运行的策略。在保证安装任务完成的前提下，每个梯队还肩负着确保已安装的探测器稳定运行的任务。年初，可运行的探测器已经达到42个，有效面积达1800平方米。我们连续运行了这42个探测器近四个月的时间，产生了约1.2TB数据。为在八月举行的国际宇宙线大会（ICRC）报道ARGO实验物理结果的首次报道，起到了关键作用。图2和图3反映了探测器安装运行的基本情况，试运行稳定。图2：探测器数目和观测数据量随时间增长情况。0204060801001202004年2月2004年6月2004年8月2004年11月2004年12月2005年1月2005年2月2005年3月2005年4月2005年5月2005年6月2005年7月2005年8月2005年9月2005年10月2005年11月2005年12月024681012已安装探测器数目运行探测器数目累积数据量TBNo.ofclusters图3：探测器部分单道计数随时间变化情况,反映了探测器的稳定运行。(4)宇宙线事例重建：在原有事例重建程序的基础上，中方合作组开展了独立的事例重建，瞄准检验探测器方向测量分辨率的月亮阴影测量这一目标，开展了一系列的数据质量检验和重建方法上的研究，在改善事例方向重建和簇射事例芯位确定精度方面都取得了明显进步，为2006年中最终确定月亮阴影，实现对探测器方向测量的绝对定标打下了坚实的基础。(5)初步物理结果：用42个探测器，ARGO实验采集了第一批试运行数据，中意双方都及时分析了这批数据，在第29届ICRC上我们报道了包括探测器标定、暴搜索、探测灵敏度、全天区扫描、模拟信号读出、探测器监测、宇宙线能谱和触发判选系统等探测器性能和初步物理分析结果，引起宇宙线届广泛关注。其中用单粒子记数率监测到的2005年一月份的Forbush下降（中方为主，图4）和10TeV至100TeV的宇宙线簇射大小谱（意方为主，图5）是在现有条件下获得的两项正结果。由于试运行阶段的探测阈能设置较高，全天区源扫描（意方为主）和用单粒子记数率搜索暴（中方为主，图6）尚未得到正的结果，但也展现了合作组所具有的物理分析能力，标志ARGO探测器已经具有稳定运行和连续观测能力。图4：2005年1月19日的太阳剧烈活动伴随的FORBUSH下降事例。图5：100TeV能区宇宙线大小谱，以及和气球飞行实验对比的情况。图6：用单道计数对暴跟踪搜索的情况。(6)国际/国内合作及学术交流：2005年11月14日至16日，中意双方在北京龙泉宾馆召开了第三次羊八井ARGO实验合作组大会，意方派出20名物理学家出席了大会，中方共有30多名代表出席了大会。这是继2002年以来中意双方联合召开的第一次合作组大会。时逢ARGO探测器建设任务完成过2/3，过半探测器投入运行之际。会议就如何保持进度确保2005年中期完成全部探测器建设的任务，并在现有基础上如何确保3300m2探测器的稳定运行，争取在2006年内顺利开展物理分析早日做出有价值的物理成果等展开了充分的讨论和部署。8月羊八井ARGO实验中意双方各派出6名成员参加了在印度举行的第29届国际宇宙线大会。共发表口头报告10个（中方5个），书面报告10个（中方4个）。高能所研究员曹臻（中方发言人）代表ARGO合作组作实验进展报告，总结了完成1/3探测器的建设，和运行1/4总探测面积（1800平米）在四个月里取得的初步实验结果。中意双方何会海、祝凤容、崔树旺、程宁、SilviaVernetto,MicheleIacovacci,PoloBernadini,LuiggiSeggise,StefanoMastroianni分别对探测器标定、暴搜索，探测灵敏度、全天区扫描、模拟信号读出、探测器监测、宇宙线能谱和触发判选系统等在大会发表了口头报告。全年中方合作组召开了四次合作组会议，既总结了各个时期的工作状况，又对工作安排进行了及时的调整。设立了：①利用羊八井ARGO实验全天区搜寻甚高能射线源②羊八井ARGO实验的“膝”区物理模拟研究③利用ARGO实验研究宇宙线时间变化④羊八井ARGO阵列的重建研究⑤关于《用EAS和ARGO数据研究大气环境对宇宙线探测器探测数据的影响》的可行性报告⑥利用羊八井RPC地毯式阵列寻找甚高能射线源⑦射线源的粒子加速和高能辐射的研究⑧用ARGO实验寻找E10GeV的暴八个子课题，分别由高能所、河北师范大学、山东大学、西南交通大学、云南大学和西藏大学等六个单位的研究小组承担，并按自然科学基金委的要求下拨了相应的课题经费。(7)人才培养：2005年有10名在读研究生参加羊八井ARGO实验，其中一些研究生已经在数据分析、探测器安装、检测和运行等方面发挥了重要的作用，甚至独当一面承担了安装梯队领队、事例重建、MC模拟等责任，成为羊八井ARGO实验的生力军。2．AS-GAMMA实验中日合作的ASγ阵列、中子监测器和中子望远镜在2005年保持着正常的运行。此外，还开展了进一步改进探测器的预研工作，这包括用于测量“膝”区宇宙线能谱和成份的芯探测器（中方科学家们致力多年的目标并完成了很多工作，现在中方正积极参与探测器方面的预研工作）、用于降低γ天文阈能的高探测效率的闪烁体探测器和用于鉴别γ和强子的水切伦可夫探测器等。在数据分析方面，考虑中日实验已经有真实的实验数据，参与数据分析不仅可分享该实验的物理结果而且还可以为中方下一步开展中意ARGO实验的数据分析提供真实的训练环境，起到事半功倍的作用。基于此，我们利用中日数据开展了月影分析，在γ源寻找，γ暴寻找，宇宙线的大尺度各向异性及超对称暗物质粒子的寻找方面也开展了研究，利用中子监测器和中子望远镜的数据还开展了太阳宇宙线的研究以及宇宙线和地震数据之间的关联的交叉学科研究。通过这些工作培养的数据分析队伍，我们已比较顺利地开展了中意ARGO试运行数据的分析工作。全年由中方人员完成ApJ文章1篇，宇宙线会议论文6篇。日方完成2篇文章及十多篇各类会议文章。2．1．2中微子物理研究1．宇宙线τ中微子望远镜（CRTNT）实验“CRTNT计划”是中科院支持的“百人计划”项目，其主要目标是开展CRTNT探测器的预先研究，为超高能(1017eV)宇宙线探测实验和τ中微子(1015eV)探测提供技术准备，研制可移动大气荧光/Cerenkov光宇宙线探测器。同时与美国HiRes实验组合作，研究超高能(5×1018eV)宇宙线物理，包括极高能区宇宙线能谱，BLLac天体作为宇宙线源的寻找，宇宙线成份和极高能/稀有事例搜索，共四个题目。HIRES实验是北半球唯一探测极高能宇宙线的实验装置。探索105倍人工产生最高能量粒子（FNAL）及其加速机制。这一研究可以探索宇宙最早期的演化行为，如宇宙的拓朴缺陷（TD），宇宙弦（CS）等GZK截断相关的粒子物理和宇宙学基本问题。寻找可能是源的剧烈活动天体，如BLLAC、γ暴、AGN、以及次一级剧烈活动的天体如银心G.M.等。CRTNT计划的两个物理目标是：1）实现对1017eV以上宇宙线的精确测量，并与其他实验联合共点观测，以实现用同一宇宙线事例进行交叉标定。每个实验都有自己的专门探测器以覆盖1个到1.5个能量量级。测量的重点是能谱，特别是能谱上的结构变化以及源初成份的变化。结合点源的寻找，这将极大地丰富我们对1017eV以上宇宙线的加速、传播和河内或河外起源等的知识。2）寻求宇宙线τ中微子存在的证据，这也是中微子振荡的证据。宇宙线τ中微子也是探索超高能宇宙线源的重要手段之一（AGN、GC黑洞等），近来在超出标准模型的眼界方向也有些进展。其意义很大，近年来国际上为