羊八井宇宙线实验羊八井宇宙线实验 ,, 解开解开 UHE CRUHE CR

成分成分 // 模型纠缠的前景模型纠缠的前景

谭有恒（中科院高能所） For 高能物理第七届学术会议

September , 2006, 桂林

4300m a.s.l.

Hadronic Physics Cosmic Ray Physics

加速器

-较低能 ( 高能 )-中心区-高流强

-已知的入射粒子和靶核-探测器密集

宇宙线

-甚高能 , 超高能-朝前区-低流强

-入射粒子未知-探测器稀疏( 羊八井地毯除外 )

在宇宙线能区的强作用

基于加速器能区下述参数的外推 , 构造唯象模型 : QGSJET, SIBYLL, DPMJET, EPOS…

•非弹性作用截面 p-p, p-air

•非弹性系数•次粒子多重数•次粒子的 ( 赝 ) 快度分布

能量依赖性

加速器能区 UHE 宇宙线能区GAP

P-Air inelastic cross section

QGSJET-II QGSJET SIBYLL 2.1

QGSJET-II QGSJET SIBYLL 2.1

荷电粒子数快度分布的实验结果

Production spectrum (p-14N)

Baryons Mesons

0

2

E

E

S

pxF

Feynman (in LS)

然后又基于这些模型假定去测 UHE

作用参数或原初元素成分 ,

陷入了“成分 / 模型纠缠”怪圈分别调整成分或模型参数均可拟合实验结果形成多义性

UHE CR 研究的老大难

Longitudinal development of AS

R. Ulrich talk

CR composition at the knee

T. Antoni et al., Astropart. Phys. (2005)

KASCADE: Energy spectra for individual elemental groups

KASCADE: Energy spectra for individual elemental groups

T. Antoni et al., Astropart. Phys. (2005)

Relative fractions of p, He and CNO are dependent on model

BUT – break in p is ~ 600 TeV and in He at ~ 1200 TeV

Very different from the Tibet result (~ 100 TeV)

Average mass

S.Ogio et al. Ap.J 612(2004)268

解开解开 C/MC/M 纠缠纠缠的曙光的曙光• LHC Elab 1017eV: 即将实现二能区的衔

接 , 并扩大对朝前区粒子的观测范围 弄清 UHE 作用模型指日可待 , 使 CR 专注 CR 成分探索 • 羊八井地毯式阵列的建成及 YSCA 的可能实现 高海拔 --- 最佳观测高度 : 簇射最大 , 涨落最小 ,C/M 依赖最小

地毯式 --- 获取各单个簇射的粒子时空分布的整体和 细致图像可能 , 若配合以别的探测器 , 有检验 UHE作用模型的能力及逐事例区分原初成分的可能

复合式 --- 多品种、多参数同时测量

Knee(~1015eV) I particle/ (m2 year)

• Proton-(anti)Proton cross-sections – important for measuring extensive air shower development (EAS), every primary particle produces an EAS

James L. Pinfold IVECHRI 2006 4

• The ATLAS approach is to measure elastic scattering down to such small t-values that the cross section becomes sensitive to the EM amp. via the Coulomb interference term.

• LHC measurement of TOT expected to be at the 1% level – useful in the extrapolation up to HECR energies

The p-p total cross-section

10% difference in measurements ofTevatron Expts:

James L. Pinfold IVECHRI 2006 14

(log s)

Regions of most interest for showers

Pseudo-rapidity

Multiplicity

Energy distribution

FORWARD PHYSICS

Models describe the Tevatron well - but LHC model predictions reveal large discrepancies in extrapolation. No direct correlation between central and forward production. (< 100 in fixed target energy)

LHC Forward Physics & Cosmic Rays

James L. Pinfold IVECHRI 2006 13

ET (LHC)

E(LHC)

ARGO-II 及羊八井超级复合阵

列计划

• 地理最佳 近 Xmax:

Ne 大 , 涨落小 , 成分 / 模型依赖弱 ; 可作长的过渡曲线。• 阵列最细 地毯式 : AS 粒子时空分布的完整信息 + 、 Č 信息 E0 测定准确

近逐实例分辨原初成分 #

• 无偏选择 大统计量、高触发效率 * 、不人为选弃事例 -------- 才可获取准确的流强和元素成分 ( 分成分的能谱 )

#* 当 E0>10TeV 时， Ne>1000 ； >1000TeV 时， Ne>106 个电子

挑战膝区物理区分成分、测准能谱

YBJ 具有无可争辩的优势

若将 ARGO 地毯发展为

羊八井超级复合阵列

1 Cluster 的 RPC 探测器 全部 238 个 clusters, ~10000m2

1 Cluster 的 CBD

整个 CBD 共 42 clusters, ~1800m2

室内子探测器中的一个 cluster

( 一个子探测器含 12 个 RPC)

室外子探测器中的一个 Block, ( 每个含 4 个 Block, ~432 m2)

2m2 闪烁探测器 , 72 台

1m2, 闪烁探测器 , 192 台

测定 AS 粒子到达时间错落 ( 脉冲形

状 ) 的精细闪烁探测器 , 29 台

计划中的羊八井超级复合阵列

ABCD

EF

10cm

5cm

15.3cm

11.4cm

一个 RPC ， 2.85mX1.25m

A&C: 同时具有数字读出和大动态模拟读出的 RPC( 高阻平板室 )粒子探测器，用于和电子测量 ; C 也是整个万平米“地毯”的一部分

B: 5mm Pb 板 , /e 转换体

D: 10cm Pb 板， /e 过滤体

E: 具 x 和 Y 数字读出的 RPC, 测子

F: 地板

A 型 ( 厅内 ) 子探测器结构图

顶视图

侧视图

电缆空间

YSCA 厅内子探测器结构图( 一个 Cluster, 四个 Cluster 组成一个 ~170m2 的子探测器 )

A

B

C

10cm Pb or 30cm Fe 板第一层流光管粒子探测器第一层流光管粒子探测器

4X9 盒流光管（每盒 8丝 8间隔， 3cm 高 X25cmX12m ）， 安装在 4个 40呎或 8个 20呎闲置的集装箱中X 读出 : 自阳极丝

Y 读出 : 自感应条

侧视图

顶视图

9.4m

12m

B 型 ( 野外 ) 子探测器结构图YSCA 野外子探测器结构图( 一个 Block, 四个 Block 组成一个 ~430m2 的子探测器 )

A Resistive Plate

Chamber

多层钢架 ( 一 cluster 用一个钢架 , 一处子探测器共用 4 个架子 )

A,C&E: 一个 RPC

B: 5mm Pb 板

D: 10cm Pb 板

F: ARGO厅内地板

ABCD

EF

厅内子探测器安装方案 ( 一个 Cluster)O

ute

r sid

e

Inner

side

野外子探测器安装方案 ( 一个 Block)

10cm Pb 板或 30cm Fe 板作为 /e 过滤体

2 层流光管

集装箱

总面积 110m2

土

1m1m

棚布地平面

Muons versus Charged particles

Missing Energy!!!

在 100TeV 的三种 AS 中的与子的密度比

0

5000

10000

15000

20000

25000

R=10m 25m 50m 第四季度

G-ASP-ASFe-AS

心距 R

密度比

/

简单的 -cut就可实现清楚的 -AS/P-AS 分辨。既然都相信能量 1015eV 以下的 CR都源自河内，那么在 YBJ找到UHE 源亦即 UHE 宇宙线源的机会

将会很高

UHE （ 50TeV—100PeV ） - 天文在

YBJ

在 100TeV 的三种AS 中的、子密度

比

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

10m 25m 50m

G-ASP-ASFe-AS

心距 R

Log

( / )

0

5000

10000

15000

20000

25000

R=10m 25m 50m 第四季度

G-ASP-ASFe-AS

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

10m 25m 50m

G-ASP-ASFe-AS

在 100TeV 的三种 AS 中的电子、子密度比

Log

( e / )

心距 R

MC 第一印象 : P/ 重核分辨一目了然MC 模拟 :

200TeV 的 P(左 ) 和 Fe(右 )引起的 AS在地毯上的粒子数分布一例

Main jobs of YSCA Main jobs of YSCA (50TeV-100PeV)

• All the research items planned by ARGO-I, mainly Sub-Tev

—10TeV -ray astronomy; Moon-shadow and Sun-shadow;

• UHE (50TeV-10PeV) -ray sources ---search for cosmic ray sources in our Galaxy

• UHE CR and Knee Physics (50TeV-100PeV) Direct measure all particle spectra and P-, Fe-spectra; deduce other

elementary group’s energy spectra. Approach the origin of the Knee, the mechanism of CR acceleration & propagation

• Characters of UHE interaction (specially in extreme forward region); also as byproducts: some Rare/abnormal phenomena (exotic or strange events)

• Solar particle & “Space Weather”

解开成分 / 模型纠缠 ,研究 UHE 作用

• 极端朝前区特性和 UHE 作用模型检验 E1近心事例； SCA 测 P-AS 过度曲线， AS e//Č关系。。。

• 大 PT(E) 地毯尽显 AS 多心结构（ 70年代 Leeds25m2,Norikura54m2火花室地毯）

• 新粒子新现象 hadron bundle, ‘Centauro’( 无 0), 需 E2 测细部， SCA给母 AS 参数 迟到的长夀命重粒子 需专测 AS 粒子盘时间结构的设备

UHE Strangelet( 小 SQM): 特多心、多？ 结构不像通常 AS ？ 不需新增设备

只要特殊就注意

ARGO-II 及羊八井超级复合阵列计划

Tibet III + MUON

8,640 m2

让我们期待• 基于 ARGO 地毯的羊八井超级复合阵列

（ YSCA ）

Sub-TeV--VHE- 源 , 暴， UHE- 源（ CR 源） , UHE-

CR, ‘ 膝区物理’ , 极端朝前区物理及稀有或反常现象 太阳粒子事件 , ‘ 空间天气’监测

• Tibet-III+Muon UHE - 源，亦即 CR源 --- 可能成为 YBJ 最显眼的贡献！

谢谢！

~ 40%More muons

Charged particle Distributions

• Pseudorapidity related to longitudinal velocity– Neglecting particle

mass• Rapidity plateau dN/d ~

constant for | | <2– Boost invariance– Radial expansion

• dN/d scales with Npart

– Independent of incident nuclei

• Total charged multiplicity in central AuAu collisions is 4200 +/- 470

dNch

/d

dN/d @ 200 GeV

=-6.3 =6.3

=0=1 =2

PHOBOS

Au+Au35-40%, Npart = 99

Cu+CuPreliminary

3-6%, Npart = 100

PHOBOS

S. Klein

900GeV