[论文解读] The Current Status and Prospect of the Ta Experiment

K. Kasahara|arXiv (Cornell University)|Nov 7, 2005

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用 4

一句话总结

Telescope Array (TA) 实验通过结合 760 km² 的闪烁阵列和三个荧光望远镜站的混合探测系统，旨在解决 AGASA 与 HiRes 在超高能宇宙射线能谱中 GZK 截止是否存在问题上的争议。通过实现 10^17.5 eV 以上的同步测量，采用直线加速器校准的荧光探测和基于 LHC 的相互作用模型验证，TA 期望在 2010 年前实现能量分辨率低于 10% 的决定性谱测量。

ABSTRACT

The Telescope Array (TA) experiment is designed to observe cosmic-ray-induced air showers at extremely high energies. It is being deployed in a desert of Utah, USA; an array of 3 m^2 scintillation counters will be distributed over 760 km^ and 3 sets of air fluorescence telescopes will be placed in the perimeter of the array. It's primary purpose is to make a decisive measurement of the cosmic ray spectrum in the GZK cutoff region. We expect the first data from the TA in the spring of 2007. As its unique features are included 1) hybrid measurement planned down to 10^17.5 eV, 2) calibration of fluorescence detection by using artificial air showers generated by an electron linac, 3) interaction model calibration by the LHC.

研究动机与目标

• 解决 AGASA 与 HiRes 长期以来在超高能宇宙射线能谱中 GZK 截止是否存在问题上的争议。
• 利用混合探测系统，在 GZK 区域（10^20 eV）实现前所未有的能量谱测量精度。
• 通过提升角分辨率和能量分辨率，研究 AGASA 观测到的超 GZK 事件和聚集的到达方向的起源。
• 通过荧光簇射剖面和磁偏转效应的粒子识别，确定原初宇宙射线的化学成分。
• 通过优化探测器几何结构和孔径设计，实现未来对超高能中微子和光子的探测。

提出的方法

• 部署一个覆盖 760 km² 的表面闪烁计数器阵列（共 576 个，每个 3 m²），以 1.2 km 的间隔分布，用于探测空气簇射的电磁成分。
• 在相距 30–40 km 的位置安装三个荧光望远镜站，每站配备 12 台望远镜，用于在 3°–34° 仰角和 108° 方位角范围内观测空气簇射产生的切伦科夫光。
• 荧光观测的占空比为 10%，对 E > 10^20 eV 的粒子实现约 670 km² sr 的立体角接受度。
• 利用电子直线加速器生成的人工空气簇射对荧光探测进行校准，以减小系统不确定度。
• 利用大型强子对撞机（LHC）的数据验证强子相互作用模型，以提高能量标度的准确性。
• 采用全波形数字化（全速 ADC）技术，实现地面阵列约 1° 的角分辨率，优于 AGASA 的 1.6°。

实验结果

研究问题

• RQ1 宇宙射线能谱是否在约 10^20 eV 处表现出如标准宇宙学所预测的尖锐 GZK 截止？
• RQ2 AGASA（无截止）与 HiRes（观测到截止）之间的差异是由于统计涨落、系统误差，还是新物理？
• RQ3 超高能宇宙射线的化学成分是什么？其主要由质子、原子核还是奇异粒子构成？
• RQ4 AGASA 数据中观测到的到达方向聚集（成对和三重组）是否可被证实，并与特定天体物理源相关联？
• RQ5 Telescope Array 能否探测到超高能中微子或光子？此类信号的预期事例率是多少？

主要发现

• 由于接受度比 AGASA 大 9 倍，TA 实验预计可在 3 年内实现统计误差减半的测量。
• 通过同步混合测量和直线加速器校准，对 E > 10^19 eV 的能量分辨率预计可优于 10%。
• 地面阵列的角分辨率预计可达约 1°，显著优于 AGASA 的 1.6°，从而增强簇射事例的识别能力。
• 对 E > 10^20 eV 的立体角接受度约为 670 km² sr，有效占空比为 AGASA 的 4 倍。
• 中微子探测的目标体积约为 10^10 吨 sr，对 E > 10^20 eV 的有效孔径约为 0.03 km² sr，预期事例率为每 10 年 0.04 至 2 个。
• TA 的首批数据预计于 2007 年春季发布，结合 LHC 校准模型和直线加速器荧光校准，预计在 2010 年前对 GZK 区域作出决定性结论。