[논문 리뷰] The Pierre Auger Observatory Upgrade - Preliminary Design Report

The Pierre Auger Collaboration, A. Aab외 463명|arXiv (Cornell University)|2016. 04. 13.

Particle Detector Development and Performance인용 수 103

한 줄 요약

본 논문은 Pierre Auger Observatory의 AugerPrime 업그레이드 계획을 제시하며, 검출기 추가(SSD, UMD), 전자공학 업그레이드, 확장된 형광 검출기 근무 주기, 및 프로젝트 조직, 비용, 일정에 대해 자세히 다룬다.

ABSTRACT

The Pierre Auger Observatory has begun a major Upgrade of its already impressive capabilities, with an emphasis on improved mass composition determination using the surface detectors of the Observatory. Known as AugerPrime, the upgrade will include new 4 m$^2$ plastic scintillator detectors on top of all 1660 water-Cherenkov detectors, updated and more flexible surface detector electronics, a large array of buried muon detectors, and an extended duty cycle for operations of the fluorescence detectors. This Preliminary Design Report was produced by the Collaboration in April 2015 as an internal document and information for funding agencies. It outlines the scientific and technical case for AugerPrime. We now release it to the public via the arXiv server. We invite you to review the large number of fundamental results already achieved by the Observatory and our plans for the future.

연구 동기 및 목표

• 피에르 오거 관측소의 업그레이드를 통해 가장 높은 에너지에서 질량 구성 결정력을 향상시키려는 과학적 동기를 설명한다.
• 제안된 검출기 향상( scintillator surface detectors, underground muon detectors) 및 전자업그레이드를 설명한다.
• 형광 detectors의 근무 주기를 확장하는 계획과 그것이 데이터 수집에 미치는 영향을 요약한다.
• 업그레이드의 프로젝트 조직, 위험 관리, 비용 및 배치 일정을 평가한다.

제안 방법

• 각 Water-Cherenkov Detector 위에 보완적인 플라스틱 신틸로레이터 면을 도입하여 서로 다른 반응으로 샤워 구성요소를 샘플링한다.
• 표면 검출기 전자장을 업그레이드하여 WCD 및 SSD 신호를 더 높은 샘플링 속도, 시간 정확성 및 동적 범위로 처리한다.
• AMIGA 지하 뮨 검출기를 UMD 구성요소로 구현하여 뮨 함량을 측정하고 방법을 검증한다.
• 형광 검출기의 작동을 더 밝은 하늘 배경 기간까지 확장하여 운전 주기를 약 50% 증가시킨다.
• 가동 중단을 최소화하여 기존 검출기 작동을 유지하고 중앙 데이터 취득 및 모니터링 시스템을 그에 맞게 적응시킨다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 SSD 및 UMD를 기존 배열에 추가하는 것이 질량 구성 결정에 대한 민감도 향상에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 확장된 FD 근무 주기가 고에너지 우주선 측정에 대한 노출 및 통계적 힘을 어떻게 향상시키는가?
• RQ3 UMD의 직접 뮨 측정이 SSD/WCD 데이터에서 뮨 추출 방법을 검증·교정할 수 있는가?
• RQ4 AugerPrime 업그레이드를 2018년까지 완료하기 위한 비용, 일정, 조직적 요건은 무엇인가?
• RQ5 업그레이드된 검출기 구성이 강한 상호작용 모델 및 초고에너지에서의 잠재적 새로운 물리 현상을 얼마나 제약하는가?

주요 결과

• 업그레이드는 배열 전체에서 이벤트의 질량 구성 결정력을 향상시켜 샤워별 질량 정보를 가능하게 하는 목표를 가진다.
• 예상 총 업그레이드 비용은 인프라를 포함한 US$ 15.2 M이며, 인프라 비용 제외 시 US$ 12.7 M이다.
• AMIGA 지하 뮨 검출기가 UMD로서의 역할을 수행하며 인프라 비용 제외 시 약 US$ 1.6 M의 비용이 든다.
• FD 근무 주기는 더 밝은 하늘에서의 작동 확장을 통해 약 50% 증가할 것으로 예상된다.
• 업그레이드는 2016–18년 사이에 사건 통계를 두 배로 늘리고 뮨 샤워 모델링과 관련된 체계적 불확실성을 줄이는 것을 목표로 한다.
• 새로운 검출기들은 Telescope Array와의 교차 점검을 가능하게 하고 플럭스 억제 구간에서 양성자 함량 민감도를 향상시킨다.