[论文解读] Aperture calculation of the Pierre Auger Observatory surface detector

D. Allard, I. Allekotte+12 more|arXiv (Cornell University)|Nov 3, 2005

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用 9

一句话总结

本文通过建模广延空气簇射在能量、天顶角和原初粒子类型下的横向触发概率（LTP），精确计算了皮埃尔·朱雷天文台地表探测器的瞬时孔径和累积曝光量。利用蒙特卡洛模拟和基于几何单元的积分方法，推导出能量依赖的探测效率与曝光量，发现在3ToT触发条件下，质子的饱和能量约为3 EeV，铁核的饱和能量约为7 EeV。

ABSTRACT

We determine the instantaneous aperture and integrated exposure of the surface detector of the Pierre Auger Observatory, taking into account the trigger efficiency as a function of the energy, arrival direction (with zenith angle lower than 60 degrees) and nature of the primary cosmic-ray. We make use of the so-called Lateral Trigger Probability function (or LTP) associated with an extensive air shower, which summarizes all the relevant information about the physics of the shower, the water tank Cherenkov detector, and the triggers.

研究动机与目标

• 在部署阶段精确确定皮埃尔·朱雷天文台地表探测器的瞬时孔径和累积曝光量。
• 考虑能量、天顶角和原初粒子组成（质子、铁核）引起的触发效率变化。
• 开发一种基于模拟或混合数据获得的LTP函数的、与模型无关的曝光量计算方法。
• 通过量化曝光估计中的系统不确定性，确保高精度的通量测量。
• 通过比较低能下不同原初粒子的探测效率，实现精确的成分研究。

提出的方法

• 使用横向触发概率（LTP）函数，模拟簇射在距离簇射核心一定距离时触发水池的概率。
• 应用3ToT触发条件，即至少三个水池需通过时间阈值（time-over-threshold）阈值以接受事件。
• 实施T5质量触发条件，要求信号最强的探测站至少有五个活跃邻站，且簇射核心位于三个活跃探测站构成的三角形内。
• 通过在单元面积上对T4和T5触发概率进行双重积分，计算每个基本六边形单元的有效探测面积。
• 通过在所有天顶角≤60°范围内积分，使用余弦加权的立体角元素，计算总孔径。
• 通过随时间累加各配置的单元秒数，并按其有效孔径进行缩放，计算累积曝光量。

实验结果

研究问题

• RQ1 地表探测器的探测效率如何随原初粒子能量和天顶角变化？
• RQ2 在同时考虑T4和T5触发条件的情况下，单个六边形单元的有效孔径是多少？
• RQ3 地表探测器在部署阶段的曝光量如何演化？其随时间累积的总值是多少？
• RQ4 在低能区，原初粒子组成（如质子与铁核）对探测效率的影响程度如何？
• RQ5 曝光量计算中的系统不确定性有多大？它对宇宙射线通量测量精度有何影响？

主要发现

• 对于60°天顶角的质子簇射，有效探测面积在约3 EeV时趋于饱和；对于0°天顶角，饱和能量约为4 EeV。
• 在3ToT触发条件下，质子的探测效率在3 EeV以上达到100%，铁核的探测效率在7 EeV以上达到100%。
• 从2004年1月1日至2005年6月5日，地表探测器的累积曝光量为1.21 × 10^10 单元秒，相当于1750 km² sr yr。
• 一个完全运行的六边形单元（6个邻近单元）的孔径约为4.59 km² sr，每个内部水池的有效探测面积为1.95 km²。
• 累积曝光量的不确定性估计约为5%，对应通量测量中能量偏移小于2%，与观测站的能量分辨率相比可忽略不计。
• 该方法可实现与模型无关的曝光量标定，未来可直接从数据中提取LTP函数，以校正低能区的探测效率不足。