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粒子天体物理
粒子天体物理
2.1地面宇宙线试验观测和宇宙线超高能物理
2.1.1羊八井国际宇宙线观测站
1.羊八井ARGO实验
羊八井宇宙线观测站位于西藏拉萨市西北90公里的青藏和中尼公路交叉点附近,念青唐古拉山脚下的一个长约70公里、宽约7—15公里的小盆地内。
有地热电厂为邻,冬天基本无积雪,交通、通讯常年畅通。
目前的中意合作羊八井ARGO实验就坐落这里,占地70亩。
羊八井ARGO实验,是北半球最高、自然和社会条件最好的宇宙线地面实验,就甚高能射线天文、超高能宇宙射线和太阳活动变化进行全天候的常年持续的观测和研究。
阵列将由130个Cluster约5500m2的中心“地毯”和由24个Cluster的RPC构成的外围保护圈组成,全部安装在由聚氨脂夹心板建成的1万m2实验大厅内。
有18000路电子学数据采集通道,设计每分钟可记录百万个广延大气簇射。
迄今已安装完104个Cluster(4400m2)并投入试运行。
其特点为:
1.高海拔加上全覆盖(地毯),能在地面开展低阈能、高灵敏度、宽视场、全天侯天文。
2.将传统的取样式EAS阵列发展到极致-全覆盖,能对宇宙线事例的精细结构做深入研究,使之成为测量宇宙线成分的有力工具。
3.多达近1.8万路的低阈能、低纬度单道计数为监测太阳活动提供了极佳的条件,可用于高能太阳耀斑伴随的宇宙线事例的研究。
2005年,中方为完成104个cluster共4400m2探测面积的安装与调试,保证上半年的42个cluster(1800m2)和第四季度的78个cluster(3300m2)连续稳定运行以及物理分析做出的巨大贡献,为2006年全面完成ARGO探测器建设任务奠定了坚实的基础。
下面分1)探测器建设;2)探测器标定;3)探测器试运行;4)宇宙线事例重建;5)初步物理分析;6)国际/国内合作及学术活动;7)人才培养等方面介绍ARGO实验开展的情况。
(1)探测器建设:
为了加快探测器安装进度,加强中方对实验进度控制的主动权,2005年,中方组织了四个安装梯队独立安装调试探测器,每个梯队在羊八井工作三个月,到目前为止共安装了63个探测器,使铺装的探测器达到了105个,共4400平方米。
从10月初开始有78个探测器投入运行,灵敏面积达到3300平方米,每天产生大于100GB的数据。
如下图所示:
图1:
ARGO实验探测器分布图。
绿色为已安装部分,红框内为投入运行部分。
(2)探测器标定:
中意双方在探测器试运行伊始就投入大量精力对探测器进行标定。
包括用宇宙线MUON望远镜对已安装探测器的实地标定和利用大量实测宇宙线事例的统计分布迭代平均所做的离线标定。
中方合作组组织了一定规模(147平方米)的实地标定,虽然工作强度很大,但为合作组提供了关键的对探测器标定最终的检验标准。
中意双方独立发展的离线标定方法经历了大量MC模拟计算结果的验证和交叉检验,最终达成了统一的标定模式。
初步完成了探测器标定任务。
(3)探测器运行:
为尽早尽快开展物理研究,我们一直坚持边安装边运行的策略。
在保证安装任务完成的前提下,每个梯队还肩负着确保已安装的探测器稳定运行的任务。
年初,可运行的探测器已经达到42个,有效面积达1800平方米。
我们连续运行了这42个探测器近四个月的时间,产生了约1.2TB数据。
为在八月举行的国际宇宙线大会(ICRC)报道ARGO实验物理结果的首次报道,起到了关键作用。
图2和图3反映了探测器安装运行的基本情况,试运行稳定。
图2:
探测器数目和观测数据量随时间增长情况。
图3:
探测器部分单道计数随时间变化情况,反映了探测器的稳定运行。
(4)宇宙线事例重建:
在原有事例重建程序的基础上,中方合作组开展了独立的事例重建,瞄准检验探测器方向测量分辨率的月亮阴影测量这一目标,开展了一系列的数据质量检验和重建方法上的研究,在改善事例方向重建和簇射事例芯位确定精度方面都取得了明显进步,为2006年中最终确定月亮阴影,实现对探测器方向测量的绝对定标打下了坚实的基础。
(5)初步物理结果:
用42个探测器,ARGO实验采集了第一批试运行数据,中意双方都及时分析了这批数据,在第29届ICRC上我们报道了包括探测器标定、暴搜索、探测灵敏度、全天区扫描、模拟信号读出、探测器监测、宇宙线能谱和触发判选系统等探测器性能和初步物理分析结果,引起宇宙线届广泛关注。
其中用单粒子记数率监测到的2005年一月份的Forbush下降(中方为主,图4)和10TeV至100TeV的宇宙线簇射大小谱(意方为主,图5)是在现有条件下获得的两项正结果。
由于试运行阶段的探测阈能设置较高,全天区源扫描(意方为主)和用单粒子记数率搜索暴(中方为主,图6)尚未得到正的结果,但也展现了合作组所具有的物理分析能力,标志ARGO探测器已经具有稳定运行和连续观测能力。
图4:
2005年1月19日的太阳剧烈活动伴随的FORBUSH下降事例。
图5:
100TeV能区宇宙线大小谱,以及和气球飞行实验对比的情况。
图6:
用单道计数对暴跟踪搜索的情况。
(6)国际/国内合作及学术交流:
2005年11月14日至16日,中意双方在北京龙泉宾馆召开了第三次羊八井ARGO实验合作组大会,意方派出20名物理学家出席了大会,中方共有30多名代表出席了大会。
这是继2002年以来中意双方联合召开的第一次合作组大会。
时逢ARGO探测器建设任务完成过2/3,过半探测器投入运行之际。
会议就如何保持进度确保2005年中期完成全部探测器建设的任务,并在现有基础上如何确保3300m2探测器的稳定运行,争取在2006年内顺利开展物理分析早日做出有价值的物理成果等展开了充分的讨论和部署。
8月羊八井ARGO实验中意双方各派出6名成员参加了在印度举行的第29届国际宇宙线大会。
共发表口头报告10个(中方5个),书面报告10个(中方4个)。
高能所研究员曹臻(中方发言人)代表ARGO合作组作实验进展报告,总结了完成1/3探测器的建设,和运行1/4总探测面积(1800平米)在四个月里取得的初步实验结果。
中意双方何会海、祝凤容、崔树旺、程宁、SilviaVernetto,MicheleIacovacci,PoloBernadini,LuiggiSeggise,StefanoMastroianni分别对探测器标定、暴搜索,探测灵敏度、全天区扫描、模拟信号读出、探测器监测、宇宙线能谱和触发判选系统等在大会发表了口头报告。
全年中方合作组召开了四次合作组会议,既总结了各个时期的工作状况,又对工作安排进行了及时的调整。
设立了:
①利用羊八井ARGO实验全天区搜寻甚高能射线源
②羊八井ARGO实验的“膝”区物理模拟研究
③利用ARGO实验研究宇宙线时间变化
④羊八井ARGO阵列的重建研究
⑤关于《用EAS和ARGO数据研究大气环境对宇宙线探测器探测数据的影响》的可行性报告
⑥利用羊八井RPC地毯式阵列寻找甚高能射线源
⑦射线源的粒子加速和高能辐射的研究
⑧用ARGO实验寻找E>10GeV的暴
八个子课题,分别由高能所、河北师范大学、山东大学、西南交通大学、云南大学和西藏大学等六个单位的研究小组承担,并按自然科学基金委的要求下拨了相应的课题经费。
(7)人才培养:
2005年有10名在读研究生参加羊八井ARGO实验,其中一些研究生已经在数据分析、探测器安装、检测和运行等方面发挥了重要的作用,甚至独当一面承担了安装梯队领队、事例重建、MC模拟等责任,成为羊八井ARGO实验的生力军。
2.AS-GAMMA实验
中日合作的ASγ阵列、中子监测器和中子望远镜在2005年保持着正常的运行。
此外,还开展了进一步改进探测器的预研工作,这包括用于测量“膝”区宇宙线能谱和成份的芯探测器(中方科学家们致力多年的目标并完成了很多工作,现在中方正积极参与探测器方面的预研工作)、用于降低γ天文阈能的高探测效率的闪烁体探测器和用于鉴别γ和强子的水切伦可夫探测器等。
在数据分析方面,考虑中日实验已经有真实的实验数据,参与数据分析不仅可分享该实验的物理结果而且还可以为中方下一步开展中意ARGO实验的数据分析提供真实的训练环境,起到事半功倍的作用。
基于此,我们利用中日数据开展了月影分析,在γ源寻找,γ暴寻找,宇宙线的大尺度各向异性及超对称暗物质粒子的寻找方面也开展了研究,利用中子监测器和中子望远镜的数据还开展了太阳宇宙线的研究以及宇宙线和地震数据之间的关联的交叉学科研究。
通过这些工作培养的数据分析队伍,我们已比较顺利地开展了中意ARGO试运行数据的分析工作。
全年由中方人员完成ApJ文章1篇,宇宙线会议论文6篇。
日方完成2篇文章及十多篇各类会议文章。
2.1.2中微子物理研究
1.宇宙线τ中微子望远镜(CRTNT)实验
“CRTNT计划”是中科院支持的“百人计划”项目,其主要目标是开展CRTNT探测器的预先研究,为超高能(>1017eV)宇宙线探测实验和τ中微子(>1015eV)探测提供技术准备,研制可移动大气荧光/Cerenkov光宇宙线探测器。
同时与美国HiRes实验组合作,研究超高能(>5×1018eV)宇宙线物理,包括极高能区宇宙线能谱,BLLac天体作为宇宙线源的寻找,宇宙线成份和极高能/稀有事例搜索,共四个题目。
HIRES实验是北半球唯一探测极高能宇宙线的实验装置。
探索105倍人工产生最高能量粒子(FNAL)及其加速机制。
这一研究可以探索宇宙最早期的演化行为,如宇宙的拓朴缺陷(TD),宇宙弦(CS)等GZK截断相关的粒子物理和宇宙学基本问题。
寻找可能是源的剧烈活动天体,如BLLAC、γ暴、AGN、以及次一级剧烈活动的天体如银心G.M.等。
CRTNT计划的两个物理目标是:
1)实现对1017eV以上宇宙线的精确测量,并与其他实验联合共点观测,以实现用同一宇宙线事例进行交叉标定。
每个实验都有自己的专门探测器以覆盖1个到1.5个能量量级。
测量的重点是能谱,特别是能谱上的结构变化以及源初成份的变化。
结合点源的寻找,这将极大地丰富我们对1017eV以上宇宙线的加速、传播和河内或河外起源等的知识。
2)寻求宇宙线τ中微子存在的证据,这也是中微子振荡的证据。
宇宙线τ中微子也是探索超高能宇宙线源的重要手段之一(AGN、GC黑洞等),近来在超出标准模型的眼界方向也有些进展。
其意义很大,近年来国际上为此投入了超过5亿美元的研究经费,兴建大型探测器五个,还有几个R/D项目,是当前高能粒子天体物理领域最活跃的前沿之一。
围绕这两物理目标,CRTNT研究组在2005年开展了如下工作:
硬件R/D方面,工作较多分为下列几点:
1)从去年就开始的CRTNT探头关键部件PMT性能测试,分别完成了PMT的单光电子增益标定,PMT增益的高压响应以及PMT增益在大动态范围内的线性度测量。
今年又完成了PMT灵敏度扫描装置的设计、制作和调试,实现了和CRTNT望远镜探头几乎相同的电子学数据采集系统的正常工作,全部结果已经成熟(图1),文章正投往荷兰NIM杂志。
2)两台样机的共512只PMT灵敏度扫描正在进行,关于整套PMT灵敏度扫描系统的论文已经初步完成,即将投稿。
3)CRTNT探头的模拟和数字电路设计已经基本完成,初步调试通过,正进行模拟、数字和数据采集全系统联调,论文已具雏形。
4)探头光学部件的研制已经完成。
一台样机的光学反射镜已经由天津光学仪器厂交货。
反射率和曲率测试完成,产品到达设计标准(图2)。
5)作为另一项关键光学部件的透紫外可见光滤镜的研制已经完成,进入生产阶段。
6)望远镜镜筒的主体机械设计、制作和调试已经在天津修船研究所完成。
验收后将交货到高能所。
立即开始望远镜组装。
软件及物理分析也取得不少进展:
1)τ中微子探测原理及CRTNT探测效率模拟研究已在英国的J.Phys.G杂志发表。
2)CRTNT用于宇宙线探测的性能Monte-Carlo模拟研究(图3)已经完成。
结果在29届ICRC报告,相关论文正投往高能物理杂志发表。
3)HiRes实验数据及物理分析取得较大进展,在去年的事例筛选新方法和事例的几何重建新方法研究成果的基础上,完成了事例重建质量的大幅提高,现已成为HiResUtah组数据处理的主流程序,中国小组的工作得到HIRES合作组的广泛承认,现已争取到HIRES实验最重要的能谱测量论文的写作权,第一篇关于用激光标定(图4)的论文已经提交HIRES合作组论文审查委员会,将很快会投往美国Astro.Part.Phys.杂志发表。
目前数据分析进入尾声,论文写作即将开始。
BLLac天体作为宇宙线源的寻找仍在进行,关于新构建的银河系磁场(GMF)模型和相关找源方法的论文,正在写作,将投往美国Astro.Part.Phys.杂志。
国内、国际间的合作与交流:
2005年,有0.4年人派往Utah参与HIRES实验,与美方保持良好的讨论、协作关系。
我们还参加了在印度召开的第29届国际宇宙线大会,作了关于CRTNT计划的大会口头报告。
积极筹办国际超高能TAU中微子研讨会和第十四届国际甚高能宇宙线研讨会。
分别与理论所、云南天文台、浙江大学、山东大学、云南大学、西南交大和西藏大学开展了与中微子探索为主题的研讨活动,收获不小,现有云南大学和理论所多位百人计划入选者和杰出青年基金项目负责人展开了与宇宙线TAU中微子物理相关的理论及新物理方面的研究,可望在近期内得到阶段性成果。
经费到位和使用情况:
175万科学院百人计划基金到位。
共约160万元支出,其中包括:
528只光电倍增管PMT:
60万元
紫外反射球面镜:
15万元
探测器箱体部件含拖动部分:
22万元
电子学(部分):
20万元
高压、低压电源:
20万元
人员及其他:
17万元
国际、国内学术交流:
6万元
图1:
PMTsensitivitylocationdependence.
图2:
Sphericallightcollectorsegmentandtestsystem
图4:
HiResFADCdetectorphotometricscalemeasuredusinglaser
图3:
CRTNTcosmicraymeasurementaperture
2.大亚湾反应堆中微子实验
大亚湾反应堆中微子实验建议项目在2005年有了较大进展,建议得到了科技部,中国科学院和国家自然科学基金委的积极支持,充分肯定了实验项目的重要性、必要性和可行性,认为项目科学目标明确,有望取得重大科学成果,各有关单位均表示积极支持,并希望尽快付诸实施。
2005年10月在深圳召开的会议上,国内外各有10家大学和研究所同意尽快成立合作组。
经费方面得到了国家基金委、杰出青年、百人计划和院创新的支持。
物理设计继续进行,主探测器和反符合探测器的概念设计逐步明确,掺Gd液体闪烁体的配置有了很大进展。
通过议标的方式选定了由中科院地质与地球物理研究所进行大亚湾实地的勘测,已完成了厂址测绘工作、工程地质测绘、地球物理勘探的工作,四个钻孔的工作已完成过半。
结合实地测绘结果、探测器基线长度和本底影响,基本确定了探测器实验大厅的位置。
直径2米,高度2米,由45个光电倍增管组成的小模型已经完成了安装,共约600公斤不掺Gd的普通液闪经过0.2微米孔径的过滤器过滤,还有4000公斤白油灌入到小模型中准备用于实验。
2.1.3L3宇宙线实验
1.重大项目的结题
针对L3+C实验在前期准备阶段、实验运行阶段、以及数据分析阶段的工作和成果,2005年4月29日于北京,国家自然科学基金委、中科院、科技部在高能所对三部委联合资助的“寻找宇宙线中未知重质量粒子”重大项目进行了结题评估,对课题组的工作和成果给予了高度评价,并提出“鉴于该项目已经取得了较好的进展,研究工作有重要意义,建议有关部门继续给予支持”。
2.数据移植的完成
到2004年底为止,L3+C实验的全部15TB数据的拷贝都已经通过170个大容量磁带运回高能所。
此后不久,这些磁带被安置在高能所计算中心的磁带服务器上,并可以很方便地被访问。
与此同步,L3+C实验数据分析的主要工作基地也由CERN转到高能所。
3.2000年7月14日太阳耀斑GLE事件的观测
L3+C实验对太阳耀斑的观测研究从2000年7月14日之前就已经开始了。
研究结果在2005年底通过了L3文章委员会的审批,预计将很快送交astroparticlephysics发表。
这篇文章对L3+C记录到的一个来自于某一特定方向的μ子超出事件进行了描述。
μ子的选择能量在15—25GeV之间。
如图1所示,超出信号在时间上与一些工作于低能段的中子监测器观测到的太阳耀斑信号的峰值位置相符合。
考虑到多次尝试造成的影响后,估计此事例数超出由本底涨落造成的可能性小于1%。
根据模拟计算,此μ子超出对应的质子流强为
I(Ep≥40GeV)≤2.8×10-3cm-2s-1sr-1(90%CL)。
图1:
a)L3+C观测到的μ子超出事件;b)中子监测器观测到的信号。
4.类Kolar奇异事例的寻找
鉴于探索未知重粒子事例的重大意义,L3+C课题组投入了大量的人力并花费了较长的时间对L3数据中的类Kolar现象的双叉径迹事例进行了搜寻。
Kolar事例在形态上具体表现为一个中性粒子在探测器内部衰变,产生两条或多条径迹,并且径迹相互之间的夹角较大。
例如,图2显示了一个非常类似于Kolar事例的图像,不过,它是一个由加速器束流对撞产生的正常的双μ事例。
合作组对L3+C收集到的0.89×1010个触发事例进行了细致的分析,但得到的却是一个负结果。
实验对这种事例的探测效率可以分为两个方面:
探测器的触发效率和事例的选择效率。
蒙特卡罗模拟给出总的探测效率是0.036。
对来自于探测器中心的束流对撞产生的双μ事例的分析证实了这个数值的可靠性。
最终,结合探测器的总体接受度,给出类Kolar事例的流强上限在90%的置信水平上为:
I=7.1×10-13cm-2s-1sr-1。
图2:
一个来自于对撞机的双μ事例。
5.其它物理课题的进展
与此同时,L3+C的其它物理课题也或者开始展开,或者继续进行。
这些课题包括:
●原初宇宙线的膝区成分;
●高能相互作用的朝前区行为;
●低速粒子的寻找;
●甚高能瞬变源的全天区扫描;
●太阳阴影的探测以及行星际磁场的研究。
到目前为止,基本上所有以上课题的研究都尚在进行之中。
不过,一些课题例如3)和4)已经得到了较大的进展。
尤其是第4)项研究探测到了一个可信度很高的候选源,它的发射强度相当大。
一旦此候选源的存在被确证,很有可能会带来甚高能伽马天文研究领域的重大突破。
2.2空间高能天体观测和高能天体物理
本年度主要获得如下三个方面的成果:
(1)完成了硬X射线调制望远镜HXMT的预研并全面启动背景型号研制任务;
(2)探月X射线谱仪进入正样研制;(3)在活动星系核、X射线双星等的高能辐射研究中取得一批成果。
2.2.1硬X射线调制望远镜
973项目《天体高能辐射的空间观测与研究》项目于2000年开始实施,我所为项目依托单位。
该项目的主要科学目标是对空间硬X射线调制望远镜(HXMT)的关键技术进行攻关,建设HXMT的地面物理样机,为HXMT的工程立项作前期研究,同时开展相关的数据库建设和天体物理研究。
10月22日,项目通过科技部组织的结题评审。
在973项目研究的基础上,2005年9,国防科工委宣布全面部署HXMT项目工程立项工作。
10月18日,HXMT背景型号研制任务书通过国防科工委组织的评审。
根据计划,在2006年9月前需要完成卫星的背景预研和方案设计阶段。
国防科工委将在2006年10月组织HXMT的转初样评审。
2.2.2探月X射线谱仪进入正样研制
探月X射线谱仪LOXIA是探月卫星嫦娥一号的主有效载荷之一,其主要科学目标是通过对月表X射线荧光的观测研究月表的有用元素分布。
2005年3月8月,我们完成了LOXIA的初样,并通过全部环境模拟试验。
2005年8月31日,LOXIA顺利通过中科院探月总体部组织的专家组评审,进入正样研制阶段。
我们设计和建造了LOXIA的地面定标及验证系统。
在该系统中,用X光管轰击不同纯元素靶和混合元素靶,并用LOXIA测得若干种不同能量荧光X射线能谱,实现了对LOXIA的标定。
标定和测量结果表明,LOXIA达到了设计要求。
2.2.3天体高能辐射性质研究
1.类星体与活动星系核标
●研究了类星体余辉及其观测效应。
研究认为类星体在活动期会将周围介质加热,在类星体熄火之后,其余辉可以由以下三个方面加以观测:
(1)一个延展的温度约为3×107K的X射线包层,
(2)Fe26+的K边和Lyα和Lyβ辐射,以及(3)氢和氦的复合线辐射形成的星云。
这些特征有可能被X射线和光学望远镜探测到,它们的性质可以用来限制类星体的年龄。
●提出了解释椭圆星系中心周围“ghostcavities”空洞的一种可能机制:
中心黑洞捕获红巨星。
这种事件发生的概率为每个星系每105年一次,被黑洞潮汐摧毁的红巨星在几年的时间内被吸积到黑洞上,并释放1056erg的能量,正好可以使得空洞形成。
这一机制已被成功地应用于几个椭圆星系“ghostcavities”的形成。
●我们发现射电宁静类星体的尘埃环的覆盖因子和X射线光度之间存在强的相关性,这种相关性与Chandra和HST发现的二型活动星系核的比例相一致,说明二型AGN比例的变化来源于尘埃环的演化。
此外,我们也发现在1微米波长左右谱凹陷的频率和覆盖因子之间存在相关。
因此,在黑洞从尘埃环吸积物质的图像下,覆盖因子和凹陷频率是尘埃环演化的指示器。
●分析COMPTEL对于两个相邻AGN3C454.3/CTA102的全部9年的观测数据,发现在10-30MeV,两个AGN合并给出约为4σ的信号。
在3-10MeV的能区,3C454.3的辐射被探测到有5.3σ显著性的信号。
光变分析表明,该AGN在年量级的范围,表现为较为稳定的MeV辐射特性。
这是在继3C273之后,在MeV能区发现具有该种辐射特性的第二个AGN样本。
在能谱上表现为在3-10MeV处的一个峰状结构,能谱需要在此能区发生偏折。
该MeV结果暗示可能存在一个在长时标的范围作用于该能区的辐射成分,而该成分一般是在AGN较短时标的耀发期间才考虑MeV能区的贡献。
2.X射线双星
●分析INTEGRAL即时释放的对V0332+53的TOO观测数据。
V0332+53是一个大质量的双星系统,在2004年12月到2005年3月经历了一次大的X爆发。
合并INTEGRAL和RXTE的硬X观测数据,我们就双星的轨道参数和脉冲位相的演化进行了分析。
发现该系统的半长轴在视线方向的投影,以及近星点的位相都较Stella等人在1985年爆发时的报道有较大的变化。
表明双星的轨道在过去的20年中,可能以每年约1.5度的角速度在进动。
该进动速度需要以多星系统来解释。
首次发现在大质量的双星系统中,脉冲的双峰位相间隔在几天的时标中连续演变约30%。
为辐射从‘风扇’模型向‘铅笔’模型的演化提供了证据。
该结果发表于ApJ的研究快报,2005,630,L65-L68。
●对V0332+53的RXTE观测数据进行时变分析(合作研究),发现该源在功率谱上在爆发演化的中后期,有一个频率为0.22HZ的QPO(准周期震荡)信号,该QPO信号是骑在中子的自旋频率上,难以通过目前流行的有关差拍模型和开普勒频率模型进行解释。
一个可能的机制为,吸积流在中子星表面辐射热斑附近的不均匀分布导致了一个骑在中子星自旋频率上QPO信号的形成。
该结果发表于ApJ的研究快报,2005,629,L33-L3
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