[论文解读] Future plan for observation of cosmic gamma rays in the 100 TeV energy region with the Tibet air shower array : simulation and sensitivity

M. Amenomori, Xiao-Jun Bi+83 more|ArXiv.org|Oct 15, 2007

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用 3

一句话总结

该论文提出通过在西藏空气簇射阵列中增加一个大型地下水契忍可夫μ子探测器（MD）阵列，以提升对100 TeV宇宙伽马射线的灵敏度，通过区分伽马射线引发的簇射与强子背景。利用蒙特卡罗模拟（Corsika, GEANT4），研究表明AS+MD配置在100 TeV能量下可实现83%的伽马-强子分离效率，从而在一年观测中实现对20 TeV以上7%和100 TeV以上20%的蟹状星云通量的5σ灵敏度，优于当前及未来的IACT在高能区的表现。

ABSTRACT

The Tibet air shower array, which has an effective area of 37,000 square meters and is located at 4300 m in altitude, has been observing air showers induced by cosmic rays with energies above a few TeV. We have a plan to add a large muon detector array to it for the purpose of increasing its sensitivity to cosmic gamma rays in the 100 TeV energy region by discriminating them from cosmic-ray hadrons. We have deduced the attainable sensitivity of the muon detector array using our Monte Carlo simulation. We report here on the detailed procedure of our Monte Carlo simulation.

研究动机与目标

• 提升西藏空气簇射阵列对100 TeV能量区段宇宙伽马射线的灵敏度。
• 解决现有空气簇射阵列在区分伽马射线引发的簇射与强子背景方面的局限性。
• 设计并评估一个大型地下水契忍可夫μ子探测器阵列，以增强伽马-强子区分能力。
• 量化升级后的西藏AS+MD系统对点源伽马射线源的可达灵敏度。

提出的方法

• 使用Corsika Ver.6.204对原初宇宙射线和伽马射线的簇射事件进行模拟，强子相互作用采用QGSJET01c模型，伽马射线采用E^-2.6能谱分布。
• 采用升级后的西藏AS阵列配置，有效面积提升至50,000 m²，通过Epics uv8.00模拟表面闪烁计数器的响应。
• 利用GEANT4模拟μ子探测，建模土壤吸收体（2.0 m厚，2.0 g/cm³密度，70% SiO₂，20% Al₂O₃，10% CaO）和MD阵列结构（混凝土单元，0.5 m顶板，70%反射率）。
• 计算每个μ子探测器的光电子收集数（N_PEs），垂直μ子的N_PEs分辨率为34 PEs ±18%。
• 应用软件触发条件：FT计数器四重符合，粒子电荷>1.25，簇射核心位于阵列内，方向误差<1.0 m。
• 优化对∑N_PEs（每个探测器N_PEs >10的总和）的截断条件，以抑制强子事件，同时在100 TeV能量下保留超过83%的伽马射线事件。

实验结果

研究问题

• RQ1 西藏AS+MD阵列对点源100 TeV伽马射线源的可达灵敏度是多少？
• RQ2 μ子探测器阵列在保留伽马射线信号效率的同时，能多有效地抑制强子背景事件？
• RQ3 在100 TeV能量下，使伽马-强子分离效果最优的∑N_PEs截断条件为何？
• RQ4 AS+MD系统的灵敏度与现有及下一代IACT在100 TeV能量区段相比如何？
• RQ5 探测器几何结构、材料组成及光收集效率对最终灵敏度有何影响？

主要发现

• AS+MD阵列在一年观测中，对20 TeV以上点源的5σ灵敏度达到蟹状星云通量的7%。
• 在100 TeV以上能量，灵敏度达到蟹状星云通量的20%，展示了探测100 TeV伽马射线窗口的能力。
• 在∑ρ ≈ 1000（对应约100 TeV原初伽马射线）时，强子背景被抑制至0.01%或以下，同时保留83%的伽马射线诱导事件。
• μ子探测器系统对垂直穿透μ子的光电子分辨率达到34 PEs，不确定度为±18%。
• 对∑N_PEs的优化截断能有效分离伽马与强子簇射，100 TeV下伽马事件保留效率为83%，强子事件保留率低于0.01%。
• AS+MD系统在20 TeV以上优于现有IACT，在40 TeV以上可能超越下一代IACT的高能灵敏度。