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基于 大亚湾中微子实验 的原初宇宙线研究

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. 中微子振荡的分析给出了 sin 2 2 θ 13 和 Δ M 2 ee 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 ）. 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

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基于 大亚湾中微子实验 的原初宇宙线研究

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  1. 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

  2. 从中微子出发 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

  3. 到宇宙线研究（1） • 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

  4. 到宇宙线研究（2） A primary particle Two secondary particles • 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 Two air showers 1号实验厅 3号实验厅

  5. 地下muon多重度的测量 L3+C实验不同muon多重度对应的原初宇宙线能量 • 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

  6. 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 CosmoALEPH L3+C

  7. 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 EH1 EH2 EH3

  8. 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 EH1 EH2 EH3

  9. 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 LEP LAAS

  10. 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 EH1-EH2的关联事例数

  11. 地下长距离关联宇宙线的寻找 较好的muon径迹重建能力 Muon<6 较差的muon径迹重建能力 Muon: 6-9 无muon径迹重建能力 Muon>9 • 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 EH1-EH2的关联事例数

  12. 地下长距离关联宇宙线的寻找 空间关联 时间关联 • 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 EH2 EH1

  13. 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

  14. 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！

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