[論文レビュー] The Large High Altitude Air Shower Observatory (LHAASO) Science Book
 (2021 Edition)

Zhen Cao, D. della Volpe+90 more|arXiv (Cornell University)|May 7, 2019

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 16被引用数 85

ひとこと要約

この論文は、LHAASO観測所の機器群（KM2A、WCDA、WFCTA、ENDA）と現地での性能、同期、データフレームワークを紹介し、LHAASOが高エネルギーガンマ線と宇宙線研究を可能にする方法を概説します。

ABSTRACT

Since the science white paper of the Large High Altitude Air Shower
 Observatory (LHAASO) published on arXiv in 2019 [e-Print: 1905.02773
 (astro-ph.HE)], LHAASO has completed the transition from a project to an
 operational gamma-ray astronomical observatory LHAASO is a new generation
 multi-component facility located in Daocheng, Sichuan province of China, at an
 altitude of 4410 meters. It aims at measuring with unprecedented sensitivity
 the spectrum, composition, and anisotropy of cosmic rays in the energy range
 between 10$^{12}$ and 10$^{18}$~eV, and acting simultaneously as a wide
 aperture (one stereoradiant) continuously operating gamma-ray telescope in the
 energy range between 10$^{11}$ and $10^{15}$~eV with the designed sensitivity
 of 1.3\\% of the Crab Unit (CU) above 100 TeV. LHAASO's capability of measuring
 simultaneously different shower components (electrons, muons, and
 Cherenkov/fluorescence light), will allow it to investigate the origin,
 acceleration, and propagation of CR through measurement of the energy spectrum,
 elemental composition, and anisotropy with unprecedented resolution. The
 remarkable sensitivity of LHAASO will play a key role in CR physics and
 gamma-ray astronomy for a general and comprehensive exploration of the high
 energy universe and will allow important studies of fundamental physics (such
 as indirect dark matter search, Lorentz invariance violation, quantum gravity)
 and solar and heliospheric physics. The LHAASO Collaboration organized an
 editorial working group and finished all editorial work of this science book,
 to summarize the instrumental features and outline the prospects of scientific
 researches with the LHAASO experiment.

研究の動機と目的

• LHAASOの装置群と検出器技術の要約。
• KM2A、WCDA、WFCTA、ENDA の各要素が宇宙線とガンマ線を研究するためにどのように協働するかを説明する。
• LHAASOで用いられる時計同期、DAQ/トリガーシステム、オフラインソフトウェアフレームワークを説明する。
• 現地の性能ベンチマークと設計目標との整合性を強調する。

提案手法

• KM2AのEDおよびMDアレイと、それらがガンマ線検出とミューオン測定に果たす役割を説明する。
• WCDAの水チェレンコフプール、PMT構成、キャリブレーション戦略を詳述する。
• WFCTA望遠鏡の設計とそれをアレイと統合する方法を説明する。
• ENDAの電子-中性子検出の概念と用途を概説する。
• White Rabbitによる時計同期とDAQ/トリガー構成、LodeStar解析フレームワークを要約する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 KM2Aが主要エネルギー（例：30 TeV、1 PeV）で期待される性能指標（有効面積、角度分解能、エネルギー分解能）はどの程度か。
• RQ2 KM2AとWCDAはどのようにしてハドロン背景を抑制し、ガンマ線検出を強化するか。
• RQ3 LHAASOの多成分系统による銀河系および系外ガンマ線源の感度と観測能力はどの程度達成可能か。
• RQ4 現地の同期とデータ取得システムは、すべての検出器に対して正確なタイミングとデータ整合性をどのように支えるか。
• RQ5 EDs、MDs、WCDAの10年間の運用におけるキャリブレーション、安定性、長期性能の見通しはどうか。

主な発見

• KM2Aは30 TeVで約0.8 km2の有効面積を提供し、30 TeVでのエネルギー分解能は約28%。
• KM2Aのミューオン検出器アレイは強力な背景抑制を可能にし、30 TeVでコア位置分解能を約7 m、1 PeVで約2 mとする。
• MDアレイ（36 m2 タンク）は、動的レンジが最大10^4ミューオンで約95%のミューオン検出効率を達成し、時間分解能は約10 ns。
• WCDAは3つのプールから構成され、合計78,000 m2の有効面積を持ち、100 GeV–30 TeVのガンマ線に感度を持つ。ダイナミックレンジと感度を拡張するための20インチPMTへのアップグレードの可能性。
• 現地の性能は5216個のEDがすべて設置・<1 nsに同期され、安定したトリガー率と明確に再構成されたEASフロント（例：月の影観測）を示す。
• WCDAはTeV領域で世界をリードする調査感度を達成しており、銀河系外源とGRBの監視が可能で、光ファイバー網による時刻/電荷の詳細キャリブレーションシステムを備える。