羊八井 ASγ 实验与100TeV 能区 γ 和电子观测

中国物理学会高能物理分会 武汉 , 2014.4

张 毅代表羊八井 Asγ 合作组中国科学院高能物理研究所

宇宙线百年研究：起源，加速与传播• 1912-, Hess• 哪里产生？• 如何加速？• 能量窗口• 精度改进• 精细的结构 宇宙线起源 密切相连“ 膝”，“ 第二膝”，“ 踝”，“GZK cutoff”e+,e- 能谱Lhaaso

“膝”超出

踝GZK

“第二膝”γ

10-100TeV 宇宙线电子能谱的观测

1.新的观测窗口2.邻近源3.暗物质粒子

宇宙线电子

γ

ν

1.标准的起源和加速理论：剧烈天体演化所产生的激波；1.正在加速的源以观测 γ最为有效，迄今成百上千个 γ 源都是电子源，核子源没找到；2.古老源（ >百万年）需要观测宇宙线自身（遗迹）；

2.传播：各向异性等研究。

γ+ γir->X

“ 标准烛光”蟹状星云是一个典型的电子源

电子的同步辐射

电子的逆康普顿散射

中性粒子 - 追本朔源能谱 - 加速机制

π0 衰变的 γ( 当最大质子截断能量是 1000TeV,即”膝”处。 )

宇宙线强子起源的证据： 100TeV 能区伽玛射线的发射

IC

Aharonian et al, A&A, 431, 197 (2005)

TeV 很强 , 低能弱 , 强子贡献会显著 ?TeV J2032+4130 (~3% Crab)

10-1000TeV

Tibet ASγ ExperimentTibet China (90.522oE, 30.102oN) 4300 m a.s.l., since 1989

Number of Scinti. Det. 0.5 m2 x 789

Angular Resolution for gamma rays ~0.9 deg.@3 TeV ~0.5 deg.@10 TeV

~0.2 deg.@100 TeVEnergy Resolution for gamma rays ~100% @3 TeV

~60% @10 TeV ~40% @100 TeVF.O.V. ~2 sr

Effective Area for AS ~37,000 m2

Decli

natio

nR.A.

寻找 TeV能区的 γ 射线源全天区扫描工作

NO. R.A.(˚) DEC(˚) Signifi(σ) NO. R.A.(˚) R.A.(˚) Signifi(σ)1 38.9 13.9 4.2 12 221.7 32.7 4.2

2 39.2 31.9 4.1 13 253.2 58.8 4.2

3 52.5 20.7 4.1 14 278.3 38.4 4.4

4 66.8 12.3 4.3 15* 286.6 5.5 4.6

5* 70.2 11.9 4.7 16 301.7 8.6 4.1

6 70.4 18.0 4.1 17* 304.4 36.7 4.0

7 78.9 18.9 4.0 18 309.5 49.1 4.3

8* 83.3 21.8 4.8 19 309.9 39.6 4.5

9* 88.8 30.2 5.2 20 318.0 40.6 4.4

10* 165.5 38.4 5.2 21 333.0 34.8 4.011 210.6 7.5 4.0

Mrk421Crab

<<A Northern Sky Survey for Steady TeV Gamma-Ray Point Sources Using the Tibet Air Shower Array >>, M. Amenomori et al., ApJ 633, 1005 (2005) ，

•新的分析方法用全环带天区估计背景

HEGRA J2032+4130

利用 ASγ实验观测到高能的 2D宇宙线强度 《科学》 314(2006)439-443

地面 EAS 实验对强子本底的区分

暗物质粒子间接探测 宇宙射线起源

LHAASO 的微缩版当前 10TeV 以上能区国际最灵敏的 γ/电子探测器（已经试运行中）

中方设计，安装，维护和运行

MD ： Tyvek 墙壁 +3PMT-> 增加动态范围

MD-A: 大型 Tyvek 水袋 +1PMT-> 增加单 μ 分辨 + 水质保持

1.9m7.2m

MD 探测器试运行性能

MDA 各个水池测到的单 μ 谱

1. MD-A 单 Muon 分辨率（ FWHM ）为 34% 好于 Prototype2. 单缪光电子数为 07 年原型探测器的 17 倍，约 300 多个光电子；3. 运行以来，水质保持良好，单缪信号趋于稳定

MDA 与 07 年原型探测器对比

88

FT : 表面阵列探测到的粒子数和 原初能量Nμ : 地下 μ 探测器探测到的 muon 数 . 总的 muon 数E: 1.9 10 100 1000 TeV

8

Tibet AS+MD 实验模拟性能 优化重建提高灵敏度Energy 1.9TeV 10 TeV 100 TeV

Nμ cut value ~0.3 ~1 ~40

BG rejection 94% ~99.85% >~99.99%

survival 54% 59% ~99%

Sensitivity 2.2 times improved

~15 times improved BG free

对 Crab 的 5σ 或 10 事例数灵敏度 提高了一个量级以上

ASγ 实验表面阵列升级

扩展 :72900M2

1 ）优化 100TeV ，花费少；2 ）扩大面积达两倍；

1. 继续提高 100TeV 能区的灵敏度对于发现性工作有重要意义；2. 无需再增加地下 μ 子探测器，而只需扩大表面阵列；

灵敏度提高 2 倍16

成功完成样机研制

PMT 和 BASE, 套筒 闪烁体探测器样机

样机性能与模拟结果一致探测器性能模拟与实验相符。

1.单粒子峰

2. 探测器均匀性 3. 时间分辨

147 TeV γ-ray sources （ 2014.4 ）

http://tevcat.uchicago.edu/

YBJ FOV

82(35) sources(Gal.)

TeV J2032+4130

TeV J2032+4130 and π0 decay model

10TeV 以上最高精度宇宙线电子谱测量及质量在 10TeV 以上的暗物质粒子寻找

Asγ 实验改进之后测量电子谱的灵敏度

类似 ATIC情况的50TeV 的 DM湮灭

由 HESS 地面实验等测量的至 5TeV 的电子谱及其外推

23/4/24

报告总结•作为 Lhasso项目的缩微版，升级后的羊八井 Asγ实验是现阶段在10-100TeV能区，最灵敏的 γ 射线和电子探测器•羊八井 Asγ实验在 40TeV能区达到 0.1Crab的灵敏度，率先观测在 100TeV附近能区的 γ 射线发射。•羊八井 Asγ实验可以率先在 10-100TeV能区研究宇宙线电子的能谱和各向异性。

ASγ 在 100TeV 能区的初步观测 上图：中日实验在 100TeV能区看到有来自银道面（黑点指示的位置上）的高能伽玛射线发射的迹象（红色意味做有发射）。该观测如被证实，将成为该领域的重要发现，为回答银河系宇宙线的起源和加速问题作出重要贡献。中日增建的底下MUON 探测器将有助于澄清问题。

下图： EGRET 观测的100MeV 能区的低能伽玛射线的发射。

(Zhaoyang Feng et al, ICRC2009)

How Many New Sources?

Induces are harder

Aharonian et al, ApJ, 636, 777 (2006)

最高灵敏度：预计将发现一些银河系100TeV 源，为回答起源问题做贡献

HESS J1834-087Counterpart G23.3-0.3, 1FGLJ1834.3-0842cShell-type SNRDistance ~4.8 kpcZenith at Tibet ~39°

HESS J1837-069Counterpartb G25.5+0.0? (SNR)

Zenith at Tibet ~ 37°

VERITAS

Tibet AS+MDLarge Zenith 3years

Epmax=1000TeV

0 decay

HESS J1834-087

Tibet AS+MDLarge Zenith 3years

HESS J1837-069

VERITAS

Epmax=1000TeV

Epmax=1000TeV

Diffuse gamma Flux corresponding to 3.0 x 3.0 deg window

0 decay

Epmax=1000TeV

Tibet AS+MD3years, 5

0 decay

Milagro

Tibet AS+MD3years, 5

MGRO J2019+37

VERITAS Tibet AS+MD3 months

1year

Mrk 421 Mrk 501

TeV gamma-ray sources in our field of view

Tibet AS+MD3 months

1year

M87LS I+61 303

15 Sources With Flux > 0.2 Crab Unit

HBL: High-frequency-peaked BL Lac object (a kind of AGN), FSRQ: Flat-spectrum radio quasar

TeV J2032+4130Unidentified TeV sourceLocated near Cyg X-3 in Cyg OB2Extended source ~6.2′,π0 decay?Zenith at Tibet ~11°

TeV J2032+4130

Tibet AS+MD3years, 5

Epmax =100TeV1000TeV

VERITAS

Crab -2.62

10000TeV

0 decay