[논문 리뷰] The Large High Altitude Air Shower Observatory (LHAASO) Science Book
 (2021 Edition)

Zhen Cao, D. della Volpe외 90명|arXiv (Cornell University)|2019. 05. 07.

Astrophysics and Cosmic Phenomena참고 문헌 16인용 수 85

한 줄 요약

이 논문은 LHAASO 관측소의 기기 구성(KM2A, WCDA, WFCTA, ENDA)과 현장 성능, 동기화, 데이터 프레임워크를 제시하며 LHAASO가 고에너지 감마선 및 우주선 연구를 가능하게 하는 방법을 개략적으로 설명한다.

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.

연구 동기 및 목표

• LHAASO 계측 복합체와 그 검출기 기술을 요약한다.
• KM2A, WCDA, WFCTA, ENDA 구성요소가 우주선과 감마선을 연구하기 위해 어떻게 함께 작동하는지 설명한다.
• LHAASO에서 사용하는 시계 동기화, DAQ/트리거 시스템, 오프라인 소프트웨어 프레임워크를 설명한다.
• 현장 성능 벤치마크와 설계 목표와의 정합성을 강조한다.

제안 방법

• KM2A의 ED 및 MD 배열과 감마선 탐지 및 뮤온 측정에서의 역할을 설명한다.
• WCDA의 워터 체렌코프 풀, PMT 구성 및 보정 전략을 자세히 설명한다.
• WFCTA 망원경 설계와 배열과의 통합을 설명한다.
• ENDA의 전자-중성자 탐지 개념과 의도된 활용을 개략적으로 기술한다.
• White Rabbit를 통한 시계 동기화 및 DAQ/트리거 구조와 LodeStar 분석 프레임워크를 요약한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 주요 에너지(예: 30 TeV, 1 PeV)에서 KM2A의 기대 성능 지표(유효 영역, 각도 해상도, 에너지 해상도)는 무엇인가?
• RQ2 KM2A와 WCDA가 심질적(하드론) 배경을 어떻게 억제하고 감마선 탐지를 향상시키는가?
• RQ3 LHAASO의 다중 구성 시스템으로 은하 및 외 은하 감마선원에 대해 달성 가능한 감도와 관측 능력은 무엇인가?
• RQ4 현장 동기화 및 데이터 수집 시스템이 모든 검출기에 걸쳐 정밀한 타이밍과 데이터 무결성을 어떻게 지원하는가?
• RQ5 ED, MD 및 WCDA의 보정, 안정성 및 10년 운용에 걸친 장기 성능 기대치는 무엇인가?

주요 결과

• KM2A는 30 TeV에서 약 0.8 km2의 유효 영역과 30 TeV에서 약 28%의 에너지 해상도를 제공합니다.
• KM2A의 뮤온 검출기 배열은 강한 배경 억제를 가능하게 하며 30 TeV에서 약 7 m, 1 PeV에서 약 2 m의 코어 위치 해상도를 제공합니다.
• MD 배열(36 m2 탱크)은 약 95% 뮤온 탐지 효율과 최대 10^4 뮤온의 다이내믹 레인지 및 약 10 ns 시간 해상도를 달성합니다.
• WCDA는 총 활성 면적 78,000 m2인 3개 풀로 구성되며 100 GeV–30 TeV 감마선을 감지하고, 다이내믹 레인지 및 감도를 확장하기 위해 20인치 PMT로의 업그레이드 가능성이 있습니다.
• 현장 성능은 모든 5216 ED가 설치되고 <1 ns까지 동기화되었으며 안정적인 트리거율과 명확하게 재구성된 EAS 프런트(예: 달 그림자 관측)가 있음을 보여줍니다.
• WCDA는 TeV 범위에서 세계적 선도 수준의 탐지 감도를 달성하며 외은하 소스와 GRB를 모니터링할 수 있고 광섬유 네트워크를 통한 시간/전하 보정 시스템을 자세하게 갖추고 있습니다.