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羊八井宇宙线实验 , 解开 UHE CR 成分/模型纠缠的前景

羊八井宇宙线实验 , 解开 UHE CR 成分/模型纠缠的前景. 4300 m a.s.l. 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. Hadronic Physics. Cosmic Ray Physics. 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). 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. 在宇宙线能区的强作用. 加速器能区. GAP. UHE 宇宙线能区. 能量依赖性.

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羊八井宇宙线实验 , 解开 UHE CR 成分/模型纠缠的前景

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  1. 羊八井宇宙线实验,解开UHE CR 成分/模型纠缠的前景 4300m a.s.l. 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

  2. Hadronic Physics Cosmic Ray Physics • 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) • 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

  3. 在宇宙线能区的强作用 加速器能区 GAP UHE宇宙线能区 能量依赖性 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

  4. P-Air inelastic cross section

  5. QGSJET-IIQGSJETSIBYLL 2.1

  6. QGSJET-IIQGSJETSIBYLL 2.1

  7. 荷电粒子数快度分布的实验结果

  8. Production spectrum (p-14N) Feynman (in LS) Mesons Baryons

  9. 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

  10. Longitudinal development of AS

  11. R. Ulrich talk

  12. CR composition at the knee

  13. 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)

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

  15. 解开C/M纠缠的曙光 • 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

  16. Proton-(anti)Proton cross-sections – important for measuring extensive air shower development (EAS), every primary particle produces an EAS Knee (~1015eV) I particle/ (m2 year) James L. Pinfold IVECHRI 2006 4

  17. The p-p total cross-section • 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 sTOT expected to be at the 1% level – useful in the extrapolation up to HECR energies 10% difference in measurements of Tevatron Expts: (log s) James L. Pinfold IVECHRI 2006 14

  18. FORWARD PHYSICS Multiplicity Regions of most interest for showers Energy distribution Pseudo-rapidity

  19. LHC Forward Physics & Cosmic Rays 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) ET (LHC) E(LHC) James L. Pinfold IVECHRI 2006 13

  20. 挑战膝区物理区分成分、测准能谱 YBJ具有无可争辩的优势 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

  21. 若将ARGO地毯发展为 羊八井超级复合阵列

  22. 计划中的羊八井 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

  23. 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型(厅内)子探测器结构图 侧视图 A B C D E F 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 10cm 5cm 电缆空间 15.3cm 顶视图 11.4cm 一个RPC，2.85mX1.25m

  24. 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) 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 A B C B型(野外)子探测器结构图 侧视图 顶视图 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 9.4m 12m

  25. 厅内子探测器安装方案(一个Cluster) A B C D E F Inner side Outer side 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 AResistivePlate Chamber

  26. 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 棚布 地平面 2 层流光管 集装箱 总面积 110m2 土 1m 1m

  27. Muons versus Charged particles Missing Energy!!!

  28. 在100TeV 的三种AS 中的与子的密度比 / 密度比 心距R

  29. UHE（50TeV—100PeV）-天文在YBJ 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

  30. 在100TeV 的三种AS 中的、子密度比 Log(  /  ) 心距R

  31. 在100TeV 的三种AS 中的电子、子密度比 Log( e /  ) 心距R

  32. 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

  33. 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”

  34. ARGO-II及羊八井超级复合阵列计划 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

  35. Tibet III + MUON 8,640 m2

  36. 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！

  37. 谢谢！

  38. ~ 40% More muons

  39. =1 =2 =0 =6.3  =-6.3 PHOBOS Charged particle Distributions S. Klein • Pseudorapidity h 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 dN/d @ 200 GeV Au+Au 35-40%, Npart = 99 dNch/dh 900GeV Cu+Cu Preliminary 3-6%, Npart = 100 h PHOBOS

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