基于立体水切伦科夫探测器进行gamma/hadron鉴别解析方法的研究
批准号:
12073050
项目类别:
面上项目
资助金额:
64.0 万元
负责人:
翟留名
依托单位:
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:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
翟留名
中文摘要
甚高能宇宙线电子、gamma能谱的精确测量已成为目前研究暗物质的重要手段,尤其TeV能区宇宙线电子的研究可以为邻近宇宙线源的加速和传播提供有效地约束,对研究银河宇宙线的起源具有重要意义。由于空间卫星实验搭载探测器体积的限制,直接探测所覆盖的能区最高到1TeV或几个TeV,更高能区电子、gamma的观测只能依靠地面宇宙线阵列实验。由于地面探测器灵敏度的限制,1TeV能区宇宙线的背景排除率基本在97%左右,无法达到测量电子能谱的要求,为此我们开发了新型立体水切伦科夫探测器,充分发挥西藏阿里超高海拔优势,实现对空气簇射的立体、多维、超高海拔观测,进而大幅提高对甚高能电子、gamma的观测灵敏度。本项目以立体水切伦科夫探测器为基础,通过计算机蒙特卡洛全模拟,旨在优化探测器立体结构设计,并开发一套全新的gamma/hadron鉴别解析方法,进而实现宇宙线强子背景的高质量排除(99.9%@1TeV)。
英文摘要
The observations of very-high-energy (VHE, E>100GeV) cosmic-ray electrons and positrons (CREs) and gamma rays provide an important and unique probe for indirect dark matter detection, especially for the measurements of CREs in TeV energy region, which can provide constrains on local cosmic-ray accelerators and diffusion effects. For direct observations on satellites, the maximum energy they can cover is up to ~1TeV or a few TeV at most due to the combination of the steep CRE spectrum and their limited detection area. We may have no choice but to rely.on the ground-based extensive-air-shower (EAS) measurements to study the spectrum of CREs and gamma at higher energies. However, the existing EAS experiments only reject ~97% background hadron events at 1TeV , which prevents the measurements of CREs. So we develop a new three-dimensional water-Cherenkov detector to be operated at Ali (5700m above sea level) in Tibet, where the effective detection area could reach the maximum and the new detector is very sensitive to the separation of gamma and hadron by observing the three-dimensional information of air shower. ..This project, based on the new three-dimensional water-Cherenkov detector, focuses on optimizing the structural design of the detector (array), and developing a new analysis algorithms for gamma/hadron separation by carrying a detailed Monte Carlo simulation, so as to realize the high-quality rejection of background hadron events. The gamma/hadron separation is expected to reject more than 99.9% background hadron events at 1TeV, with more than 50% of CRE or gamma-ray events remaining, which will open a window to measure the VHE cosmic-ray electrons and positrons energy spectrum for ground-based EAS experiments.
近年来,甚高能宇宙线电子、伽马能谱的精确测量已成为目前研究暗物质的重要手段,尤其TeV能区宇宙线电子的研究可为邻近宇宙线源的加速和传播提供有效地约束,对研究银河宇宙线的起源具有重要意义。空间卫星等宇宙线直接探测实验由于搭载探测器体积的限制,对电子、伽马探测所覆盖的能区最高到1TeV或几个TeV。地面广延大气簇射(EAS)阵列实验具有宽视场,全天候观测的优势,被广泛应用在甚高能宇宙线的探测上。但由于目前地面EAS探测器结构设计较为单一,TeV能区宇宙线背景排除率基本在97%左右,无法达到测量宇宙线电子能谱的要求;同时实验的观测海拔普遍在4500米以下,造成整体探测器阵列的阈能偏高,无法实现低能区的测量结果与空间卫星实验结果相连接等问题。.新研制的立体水切伦科夫伽马探测器,突破了以往地面EAS探测器仅对广延大气簇射一个平面信息观测的局限,实现了多维、立体式观测,可大幅提高对甚高能宇宙线电子、伽马的观测灵敏度。本项目以该新型立体水切伦科夫探测技术为基础,开展新型立体探测器及其阵列的计算机蒙特卡洛全模拟工作,项目执行期间,主要完成了以下工作:(1)完成了新型立体水切伦科夫单元探测器在Geant4软件中的探测器结构设置、整体探测器阵列的结构配置优化。(2)基于累积的计算机蒙特卡洛全模拟数据,分析gamma、hadron两类宇宙线成分在探测器上所记录图像的差别,分能量bin提取各个物理特征参量,逐一对每个参量进行定量分析,选出对gamma、hadron鉴别贡献大的灵敏参量。(3)完成了在三种海拔高度(5700米,4900米,4300米)下,新型立体水切伦科夫探测器阵列实验在角度分辨、能量分辨、有效探测面积、gamma/hadron鉴别等性能方面的定量分析比较。研究表明,随着海拔高度的提高,水切伦科夫宇宙线实验的各项探测性能迅速提升。(4)利用机器学习(TensorFlow)和多变量解析方法,分别实现并验证了立体水切伦科夫探测实验对gamma、hadron的高精度鉴别,在TeV能区,5700米海拔高度下,立体水切伦科夫伽马探测器实验的宇宙线背景排除率为99.9%,并给出了新型立体水切伦科夫探测器实验的灵敏度曲线。本项目的实施,为接下来多层、立体水切伦科夫伽马探测器实验的展开奠定了基础。
基于新升级的西藏 ASγ新联合实验开展原初宇宙线铁核能谱算法的研究
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批准号:11603047
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项目类别:青年科学基金项目
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资助金额:24.0万元
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批准年份:2016
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负责人:翟留名
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依托单位:
国内基金
海外基金