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

Z. Cao, D. della Volpe외 92명|arXiv (Cornell University)|2019. 05. 07.

Astrophysics and Cosmic Phenomena인용 수 100

한 줄 요약

LHAASO의 다중 구성요소 계측기 설계(KM2A, WCDA, WFCTA, ENDA)와 현장 성능에 대한 포괄적 설명으로, 은하 및 외 은하 감마선 천문학, 우주선 물리, 암흑 matter, 다중 신호 연구에 대한 예상 능력을 제시.

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 기기 구성 요소와 그 검출기 기술(KM2A, WCDA, WFCTA, ENDA) 및 성능 목표를 요약한다.
• LHAASO가 PeV 에너지까지 감마선과 우주선에 대한 고감도 측정을 어떻게 달성하는지 설명한다.
• 다중 신호 및 기본 물리 연구를 가능하게 하는 현장 운영 역량과 동기화 인프라를 개략한다.

제안 방법

• 검출기 구성 요소와 배치(ED, MD, WCDA, WFCTA, ENDA) 및 이들의 통합을 설명한다.
• 유효 면적, 각도 및 코어 해상도, 에너지 해상도, 민감도 등 주요 성능 매개변수를 제시한다.
• 시계 동기화(White Rabbit 프로토콜)와 DAQ/트리거 구조(프런트엔드 디지털화, 트리거-리스 스킴)를 설명한다.
• 배치(2021년 8월) 이후 현장 성능 지표를 요약한다. 동기화 정확도와 안정성을 포함한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LHAASO의 KM2A가 30 TeV 이상 감마선 검출 및 100 PeV까지의 우주선 측정에서 달성하려는 설계 성능 목표는 무엇인가?
• RQ2 WCDA가 100 GeV–30 TeV 구간에서 고감도 감마선 조사와 확장 소스 관측을 어떻게 가능하게 하는가?
• RQ3 KM2A와 WCDA 검출기의 달성 가능한 각도, 코어, 에너지 해상도는 무엇이며, 이것들이 PeVatron 및 UHE 감마선 연구를 어떻게 이끈가?
• RQ4 통합 검출기 세트(KM2A, WCDA, WFCTA, ENDA)가 다중 신호 및 표준 모형 Beyond-Standard-Model 물리학을 어떻게 지원하는가?
• RQ5 2021년 8월 배치 이후 달성된 현장 성능 지표(동기화, 안정성, 및 트리거 성능)는 무엇인가?

주요 결과

• KM2A는 30 TeV에서 약 0.8 km2에 이르는 유효 면적과 30 TeV에서 약 28%의 에너지 해상도를 달성한다.
• KM2A는 PeVatrons를 식별하고 EAS 특성을 재구성하기에 적합한 각도 및 코어 위치 해상도(30 TeV에서 7 m 코어 해상도; 1 PeV에서 2 m)를 제공한다.
• 배치 1년 관측에서 Crab 단위의 약 1% Crab Unit 위의 감마선 근처에 대한 민감도를 목표로 한다.
• WCDA는 3개의 풀에서 78,000 m2를 커버하며 100 GeV에서 30 TeV까지의 고감도 감마선 조사를 제공하고, 3개의 풀과 대면적 PMT 구성을 갖춘다.
• 2021년 8월 기준 현장 성능은 5216개의 ED가 설치되어 동기화 정밀도가 1 ns 이내이며, 안정적인 트리거율과 달 그림자 탐지가 가능한 배열을 보인다.
• MD 검출기(1188개 탱크, 각각 36 m2)는 단일 뮤온 에너지 해상도 약 25% 및 약 10 ns 시간 해상도로 뮤온 함량 측정을 제공하여 EAS 코어 영역의 구성 연구를 가능하게 한다.