1、1LHAASO-WCDA大型高海拔水契仑柯夫阵列高能物理学术年会2010/04/17-20 南昌姚志国 中国科学院高能物理研究所2内容提要n甚高能伽玛天文观测实验nWCDA的结构与布局n性能参数n研究进展n总结甚高能伽玛天文的观测结果n到目前为止，共有98个甚高能（VHE，E100 GeV）伽玛源被发现：河内：60个（2009年1月以来：3个）；河外：38个（2009年1月以来：16个）。3高能伽玛天文实验的现状505LHAASO-WCDA计划：性能优势n全天候：占空比（duty cycle）：100%，而IACT只有10%；对一个稳定源来说：每天都观测25%，而IACT一年平均下来不到2.5
2、%；可以监测时变源的流强变化。n大视场：4/6，而IACT视场角小于5；如果IACT同时只能瞄准1个源，WCDA可以瞄准250个源；可以探寻未知耀变源（包括GRB）；可以观测扩展源。n低阈能：高海拔的优势之一；400 m2 100 GeV（同时保证好的角分辨和质子伽玛区分）；低能段和Fermi-LAT相衔接。n高角分辨：0.35 1 TeV，3 1 TeV，12 5 TeV；因为强子簇射容易形成次芯（能流或子），水契仑柯夫对次芯更敏感。与IACT互补！高海拔的优势！水契仑柯夫的优势！河外源n河外源的观测成为主流：通过HESS、VERITAS等实验的银道面、Cygnus区域扫描，认为基本上把高流
3、强的河内源都发现完了；经验的积累和方法的更新使得河外源的探索成为可能；广角、全天候的FERMI-LAT公布了第一批结果：n1451个源（631个身份未定）；n其中241个变源（variable）（225个curved）。67河外源的位置和能谱分布n能谱随距离变大而变陡？（EBL的吸收？）；n北半球发现的源更多（探测器更多）；n发现时的流强大都在5%CRAB（0.3 TeV）左右（而且可能大都处于近平静期或小爆发期）。WCDA在 河外源观测上的优势n优点为：广角+全天候：对耀变源（flare）敏感：nWCDA：如果爆发时长在天量级以上，北天区的源100%能够被观测到；nIACT：观测到的可能性在
4、没有预警的情况下小于1%，在有预警的情况下为25%。时变源的流强监测：nWCDA可以同时监测北半天区内几乎所有时变源的流强变化；0.04 CRAB：周量级（3）；0.1 CRAB：天量级；0.2 CRAB：小时量级；1.8 CRAB：分钟量级。nIACT：同时只能监测一个。扩展源的观测：nIACT受到点扩展函数的限制；WCDA有优势（0.2）。8n主要目标：n观测和测量n发现竞争力：n50%9阵列的结构示意图n阵列150150 m2的水池；4 m有效水深；由3030=900个探测器单元组成；900个8 inch的光电倍增管；等效于计划中HAWC的规模。9150 m，30个单元150 m，30个
5、单元WCDA的性能参数：阵列1011整个阵列的布局n4个 阵列：总面积90000 m2；3600个单元。n布局：或者相隔一定距离铺设；或者合并成一个大水池。还可能需要增加或者利用一些外围探测器。11300 m，60个单元300 m，60个单元阵列布局的优化n4个独立运行的阵列，各为150150 m2；n2个独立运行的阵列，每个为300150 m2；n整体1个阵列，大小为300300 m2：最低：0.007 CRAB 4 TeV。12更多的布局方式13n150150 m2n200200 m2n225225 m2n250250 m2n270270 m2n300300 m2n320320 m2对现有
6、VHE河外源的灵敏度14n线形的颜色代表不同的能谱指数，与相同颜色的数据点做对比。n24个VHE河外源中：4-6个能谱较陡的源在灵敏度之外；但5年的运行基本会观测到所有的发现源（因为源的能谱为平静期的参数）。爆发期也可探测到：n流强10倍于平静期；n时长约3天。角分辨n定位精度（95%）：Fermi-LAT：0.8 0.2 IACT：0.1 0.03WCDA：0.5 0.15nNED（围绕Mrk421）：0.2：11670.03：200.15：625nAGN identification：多波段时变的相关分析；但IACT较难。15能量分辨n能量分辨：Fermi-LAT：15%IACT：15-2
7、5%WCDA：200%-15%n幂谱：实验观测到的源在测量误差范围内都是幂谱；能谱系数和指数的计算与logE/logE及事例数相关；借助精确的MC和Likelihood拟合可以进行精细的能谱分析。1617探测器原形实验（Prototype）n大型水箱：7m直径，5 m高；8 inch PMT置于水底，向上观测。n符合观测：上下放置3层各1 m2的闪烁体。n水净化和循环系统：注满净化后的自来水，然后循环净化。n记录宇宙线子产生的契仑柯夫光。172层1m2的闪烁体1层1m2的闪烁体5 m7 m实验运行及结果185%11%-15%-29%水衰减长度测量和PMT扫描系统19XZXY20工程阵列实验（E
8、ngineering Array）n1515 m2水池；n水深4.5 m（其中PMT顶部以上：4 m）；n用隔光帘隔开，自然形成9个55 m2单元；n水底中央放置9支PMT（滨松R5912，8 inch），向上观测；n规模为全阵列的1/400；n记录宇宙线引起的簇射：、e、产生的契仑柯夫光；n与ARGO-YBJ离线符合。2021工程阵列的设计与施工2122LHAASO-WCDA计划：实验阶段22探测器原形（2009.6）光电倍增管测试电子学设计工程阵列（2010.7）阵列（2014.8？）全阵列（2016.8？）软件工作物理分析工程建设阶段技术可行性nWCDA：结构相对简单：水+PMT；技术上
9、证明可行：SK、AUGER、大亚湾、WCDA原型实验和工程阵列的设计；大气簇射阵列：经验丰富，物理内容多。nIACT或GAW：精密加工类型，国内力量薄弱；从未加入过国际合作，技术储备不足；研发周期长，国际上无竞争力，无突破的潜力；可以投入较小的力量来参与国际合作，学习整套技术，为将来做准备。23性价比n性价比：（单位：人民币，1 USD=7 RMB）Fermi-LAT：13.7亿（仅美国）；HESS：7000万 200=广角；CTA：10.5亿 200=广角；ARGO：4000万 900=WCDA（灵敏度至少差30倍）；GAW：价格4000万？24 24 12=WCDA（立体角），大部分能区的
10、灵敏度也差（2），而且工作能区窄。共需9.6亿；WCDA：3亿。24基础条件和优势nIACT或GAW：羊八井的气候、湿度条件不适合于望远镜的工作；高海拔对IACT或GAW的性能改善微乎其微；需另开辟实验基地。n羊八井高海拔宇宙线观测站：大面积的高海拔平地是我国得天独厚的自然条件；已经具有良好的研究基地；能够吸引国际同行参加；同时可以开展宇宙线及交叉学科的研究。25总结n甚高能伽玛天文的发展，一直需要全天候、大视场的探测器的贡献；nWCDA是目前唯一可实现的、高灵敏度的、满足巡天条件的探测手段；n中国具有地理环境优势、我们有多年积累下来的研究基础，能够很快开展实验建设和物理观测工作；n我们已经在模拟计算和实验预研方面做了大量的工作。在此基础上，一年后我们将会准备一套完整的、精细的探测器、电子学及阵列布局的设计方案。26
