[论文解读] First Results from the IceTop Air Shower Array

S. Klepser|arXiv (Cornell University)|Nov 11, 2008

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 4被引用 5

一句话总结

本论文展示了南极冰洞（IceTop）阵列的首批结果，该阵列为位于南极的1 km²空气簇射探测器，通过冰罐中的切伦科夫光探测宇宙射线。利用26个站点一个月的数据，实现了具有竞争力的能量与方向重建，通过倾角依赖的能谱清晰展现出对质量组成的敏感性，并证明了IceCube与IceTop联合测量在1–80 PeV能量范围内探测μ子含量及检验强子相互作用模型的潜力。

ABSTRACT

IceTop is a 1 km^2 air shower detector presently under construction as a part of the IceCube Observatory at South Pole. It will consist of 80 detector stations, each equipped with two ice Cherenkov tanks, which cover 1 km^2. In 2008, the detector is half completed. One of the design goals of the detector is to investigate cosmic rays in the energy range from the knee up to approaching 1 EeV and study the mass composition of primary cosmic rays. In this report the performance of IceTop, the shower reconstruction algorithms and first results, obtained with one month of data with an array of 26 stations operated in 2007, will be presented. Preliminary results are shown for the cosmic ray energy spectrum in the range of 1 to 80 PeV. Being located at an atmospheric depth of only 700 g/cm^2 at the South Pole, a high sensitivity of the zenith angle distribution to the mass composition is observed. The main advantage of IceTop, compared to other detectors in this energy range, is the possibility to measure highly energetic muons from air showers in coincidence with the IceCube detector. The muon rate at a given air shower energy is sensitive to mass composition. The prospects of this method and alternative methods to scrutinise different composition models will be presented.

研究动机与目标

• 验证IceTop作为独立空气簇射探测器在测量宇宙射线能谱与组成方面的性能。
• 研究视向角依赖的能谱对原初宇宙射线质量组成的敏感性。
• 利用IceTop数据开发并测试方向、簇射核心位置与能量的簇射重建算法。
• 探索IceTop与IceCube联合测量在探测μ子含量及检验强子相互作用模型方面的潜力。
• 在大簇射核心距离处识别单个μ子，用于组成分析与校准监测。

提出的方法

• IceTop使用26个站，每个站配备两个冰切伦科夫罐，通过时间分辨率达3.3 ns的数字光学模块（DOMs）探测切伦科夫光子。
• 采用双增益DOM配置（20 PE与200 PE阈值）以提升动态范围，并实现对垂直等效μ子（VEM）的校准。
• 簇射重建基于到达时间与电荷分布的似然最大化，初始估计基于平面波前与COGSC方法。
• 通过将IceTop重建的簇射能量与IceCube光子多重性进行相关分析，研究IceTop与IceCube的符合事件。
• 在低信号预期条件下，通过脉冲电荷分布识别单个μ子，其中约1 VEM处的峰表明孤立μ子的存在。
• 将质子与铁的簇射模拟结果与数据对比，以评估组成敏感性与模型区分能力。

实验结果

研究问题

• RQ1 IceTop能否仅凭自身在1–80 PeV范围内以具有竞争力的精度解析宇宙射线能谱？
• RQ2 IceTop观测到的倾角依赖能谱是否对原初宇宙射线质量组成表现出敏感性？
• RQ3 IceTop与IceCube的联合数据能否通过μ子簇大小区分原初为质子或铁的组成？
• RQ4 能否在IceTop数据中识别出远离簇射核心的大距离处的单个μ子信号，并用于组成分析？
• RQ5 IceTop数据在多大程度上可改进空气簇射模拟中强子相互作用模型的校准与验证？

主要发现

• 2007年一个月数据的IceTop能谱显示出预期特征，且在不确定度范围内与其它测量结果高度一致。
• 在倾角依赖能谱分析中，明显偏好混合组成模型，而非纯质子或纯铁模型。
• IceTop与IceCube的符合事件显示，重建的簇射能量与IceCube光子数之间存在强烈相关性，且质子与铁模拟的平均信号明显分离。
• 在低信号预期条件下，脉冲电荷分布中约1 VEM处的显著峰证实了在远离簇射核心的大距离处存在单个μ子。
• 质子与铁模拟中单个μ子峰的高度存在显著差异，表明对原初质量组成的强敏感性。
• 在IceTop中识别单个μ子的方法为组成分析提供了互补手段，并具有潜在的在线校准监测能力。