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利用深度学习优化西藏羊八井ASγ实验数据分析

批准号:
12103056
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
陈旭
学科分类:
空间天文和高能天体物理技术和方法
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
陈旭

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
近些年,深度学习已经越来越多的应用在粒子物理和天体物理的研究中。地面宇宙线实验ICECUBE,HAWC等也在尝试在数据处理过程中逐渐引入深度学习技术。西藏羊八井ASγ实验的核心目标之一是利用高能伽马射线反推高能宇宙线的起源。实验于2019年,观测到来自北天区最强伽马射线源蟹状星云方向的最高能伽马射线辐射,能量达到450TeV;于2021年,发现首个超高能(PeV)宇宙线加速候选天体,超新星遗迹 SNR G106.3+2.7。受限于伽马射线在所有宇宙线事例中极少的占比,挑选出的类伽马射线事例中仍然存在相当比例的宇宙线核子背景。本工作意在引入深度学习技术,进一步提高伽马/强子分离程度。同时,尝试利用深度学习技术进一步优化西藏羊八井ASγ实验能量分辨及角度分辨。以上将减少后续的伽马射线物理分析的系统误差。同时有望对10至100TeV宇宙线电子进行观测。
英文摘要
In recent years, deep learning has been increasingly applied in the research of particle physics and astrophysics. The cosmic ray experiments are also trying to using deep learning technology in the data analysis, such as IceCube, HAWC. One of the science goals of the Tibet ASγ experiment is to use high-energy gamma rays to reverse the origin of high-energy cosmic rays. In 2019, the Tibet ASγ experiment detected the highest energy gamma-ray radiation, which came from the Crab Nebula, the strongest gamma-ray source in the northern sky, with an extremely energy of 450 TeV. In 2021, the Tibet ASγ experiment discovered the first potential very high energy (PeV) cosmic ray accelerator, the supernova remnant SNR G106.3+2.7. Limited by less proportion of gamma rays in all cosmic rays, there is still a considerable proportion of cosmic ray nuclear background in the selected gamma-ray-like events. This work will try to take the advantage of deep learning techniques, such as image recognition, to improve the gamma/hadron separation. At the same time, this work will also try to use deep learning technology to optimize the energy and angle resolution of the data of the Tibet ASγ experiment. This will minimize the systematic errors of the subsequent physics analysis. At the same time, it is expected to observe 10 to 100 TeV cosmic ray electrons.
高能宇宙线的起源问题至今仍是世纪之谜,而超高能伽马射线的观测研究,是目前国际上探索宇宙线起源的前沿方向之一。西藏ASγ实验作为经典的地面超高能伽马射线巡天望远镜阵列,于2014年追加了4200平方米创新型的地下水切伦科夫缪子探测器,于2019年7月,发现最高能量450TeV的伽马射线辐射,来自蟹状星云方向。这是超高能伽马射线天文学重要的里程碑,宣告人类对极端宇宙的探索已正式迈入100TeV以上的观测能段。西藏ASγ实验对于伽马射线的观测研究,过去只采用缪子数目的单一参量进行γ/P的分离,类伽马射线样本中仍然存在相当比例的宇宙线强子背景,会干扰后续的物理分析。本工作尝试引入机器学习技术,为此,我们生成了大量的无偏差全天区模拟数据。利用机器学习优化原始实验数据重建,优化其对伽马射线的能量分辨及角度分辨精度。10TeV处能量分辨率从35%优化到28%,100TeV处20%优化到14%,角度分辨在10TeV从0.5度提高至0.39度,100TeV处0.2度提升至0.11度。我们完成了基于2维图像识别技术的γ/P鉴别的方法的研究,模拟显示追加图像识别技术平均能使得类伽马射线样本的纯度提升20%,同时也发现图像识别技术对探测器稳定性提出了更高的要求。.虽然机器学习技术显著减轻了数据处理的负担,并有效提升了数据质量,但目前的数据仍然不足以完全揭示超高能伽马射线的辐射机制和超高能强子宇宙线的起源。这表明我们需要持续积累更多的数据,并依赖于未来更先进的探测技术加以补充。此外,缪子数目在各参数中的权重占比最高,这也进一步支持了ASγ实验采用纵向设计探测器的思路。展望未来,立体水切伦科夫探测器的潜力值得期待。
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