基于大亚湾中微子实验的原初宇宙线研究于泽源

高能物理研究所2014-04-21

中国物理学会高能物理分会第九届全国代表大会，华中师范大学，武汉， 2014

从中微子出发

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中微子振荡的分析给出了 sin22θ13 和 ΔM2ee的测量结果开始探索中微子以外的可能物理课题

到宇宙线研究（ 1 ）

实验厅 山体覆盖厚度 RPC 面积一号 280 m.w.e. 12m*18m

二号 300 m.w.e. 12m*18m

三号 880 m.w.e. 18m*18m

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• 大亚湾实验三个实验厅，具有不同的山体覆盖厚度• 每个实验厅均有 RPC 探测器阵列

• 阵列由 2m*2m 的 RPC 模块组成，每个模块有四层 RPC ，通过 25cm 宽的 XY读出条读出信号• RPC 探测器阵列可以测量一个大气簇射中的 muon 数目

• 理论最高测量数目可达 ~3000• 最终可以测量不同山体覆盖厚度时的

muon 多重度，进而限制原初宇宙线的成分

到宇宙线研究（ 2 ）• 长距离关联宇宙线的寻找• 两个实验厅（间隔 1km 到1.5km ），同时观测到两个大气簇射• 此类事例起因尚未有明确解释• 过去实验仅观测到几个事例

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A primary particle

Two secondary particles

Two air showers

1 号实验厅 3 号实验厅

实验厅 一号 二号 三号一号 0m 989m 1576m

二号 0m 1077m

三号 0m

地下 muon 多重度的测量• 过去若干实验均进行了地下 muon 多重度的测量，相比于地面实验

• 大气簇射中的电磁成分完全被岩石吸收• 所测得的 muon 具有一定能量阈值

• LEP ： CosmoALEPH ， L3+C ， DELPHI• Gran Sasso ： Marco• LHC ： ALICE 等• L3+C 的模拟显示，地下 30m 时，大于 15 的

muon 多重度即对应原初宇宙线能量超过 1PeV• 实验灵敏能区 100TeV 到 10PeV （膝区）

• 模拟中，基于不同配置（簇射中不同的强相互作用模型，不同的宇宙线成分）产生模拟数据，通过数据和模拟的比较确定哪种配置最为合理5

L3+C 实验不同muon 多重度对应的原初宇宙线能量

地下 muon 多重度的测量• 过去实验的结果并不一致• CosmoALEPH 实验：

• 在高多重度时，数据相对于全 Fe 核的模拟仍有超出• 说明强相互作用模型需要修改，或宇宙线中存在未知粒子• DELPHI 、 ALICE 、 EMMA 等实验均观测到该超出

• L3+C 实验：• 更大统计量下未观测到此超出• 数据支持膝后区，宇宙线成分变重的假设

• 该研究方向在 100m 左右深度需要其他实验提供校验，需要在不同深度的测量结果• 在大亚湾实验开展该测量的目标

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CosmoALEPH

L3+C

地下 muon 多重度的测量• 大亚湾实验开展该测量的优势• 天然的

• 3 个实验厅处于不同深度，所测量的muon 能量阈值不同，对应的原初宇宙线能区也有不同

• 实验配置的• RPC 探测器使用 XY 二维读出，一个

2m*2m 的模块理论上最大可以测量 64个 muon• 劣势

• 多重度大时，无法重建 muon 径迹• RPC 硬件噪声的干扰

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EH1EH2EH3

地下 muon 多重度的测量• 初步测量结果• RPC 一个模块作为一个 muon ，不对模块内

XY 读出做进一步挑选• 三号实验厅山体覆盖更厚， RPC 面积更大， 故高多重度事例的比例更高• 一二号实验厅山体覆盖类似， RPC 面积相同，具有相似的多重度分布

• 进一步的工作• 精细的数据分析工作，本底扣除• 模拟数据相关的研究：

• 大亚湾实验对宇宙线成分研究的的灵敏度分析• 数据和模拟的对比

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EH1EH2EH3

地下长距离关联宇宙线的寻找• LEP 上 CosmoALEPH 和 L3+C 的联合寻找

• 两个实验间距 6km• 中间分布着若干小型宇宙线观测站• 因两个实验相对时间刻度的问题，只观测到三个时间、空间方向都关联的事例

• 日本 LAAS 实验• 地上实验，间距 1.1km 到 997.2km• 只观测到几个关联的事例

• 大亚湾实验可以在地下有效的开展关联宇宙线的寻找• 探测器覆盖面积较大• 取数活时间长 9

LEP

LAAS

地下长距离关联宇宙线的寻找• 第一种寻找方法• 两个实验厅的 RPC 探测器均有超过 N 个模块着火• 在前后 20us 的符合时间窗内寻找两个实验厅的关联事例

• 改变模块着火数 cut （ 5-13 ），观测到的关联事例数目和偶然符合预期均在 1σ 内符合•没有发现超出偶然符合本底的长距离关联宇宙线

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EH1-EH2 的关联事例数

地下长距离关联宇宙线的寻找• 该方法下一步的计划• 1 、优化 RPC 数据的分析算法• 2 、在低 muon 数目时，使用

muon 径迹重建的信息，压低偶然符合本底，以寻找时间、空间方向都关联的事例

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EH1-EH2 的关联事例数

较差的 muon径迹重建能力Muon: 6-9

无 muon 径迹重建能力Muon>9

较好的 muon径迹重建能力Muon<6

地下长距离关联宇宙线的寻找• 第二种寻找方法• 两个实验厅的中微子探测器均有

muon穿过，且 muon 径迹长度超过2m

• 发现了两个实验厅之间时间、空间方向均关联的事例• 事例来自同一个方向，且接近水平入射（ θ~72 degrees ）• 与大亚湾实验的山形对照后，发现入射方向均为山体较薄的方向• 这些事例是由山体几何因素带来的

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时间关联 空间关联

EH2

EH1

到宇宙线的研究（ 3 ）• 利用大亚湾实验探测器可以开展的其他研究 ?• 希望从事宇宙线工作的同仁提出宝贵的意见• （来自黄晶研究员的意见）将 RPC 模块沿实验隧道依次排开，形成一个长度 1km-2km 的阵列

• 可以对原初宇宙线能量进行重建• 可以在大亚湾实验运行结束后，将 RPC 探测器按照此方案利用，开展研究

• 欢迎更多的实验设计以及其他和宇宙线相关的物理课题13

总结• 在中微子物理外，大亚湾实验开始考虑新的物理课题• 计划开展地下宇宙线研究，包括

• 不同深度的 muon 多重度测量• 两个实验厅之间长距离关联宇宙线的寻找

• 一些初步结果显示了大亚湾实验具有展开上述研究的能力• 进一步的数据分析正在进行中• 希望得到从事天体粒子工作的同仁的意见和建议

• 也希望各位同仁对大亚湾实验运行结束后，如何利用探测器以及地下实验室开展宇宙线研究提出更多更好的建议！14