[论文解读] Modeling the Optical Cherenkov Signals by Cosmic Ray Extensive Air Showers Directly Observed from Sub-Orbital and Orbital Altitudes

Austin Cummings, Roberto Aloisio+2 more|arXiv (Cornell University)|May 7, 2021

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 47被引用 28

一句话总结

本文使用定制化的模拟框架，对从亚轨道和轨道平台观测地球边缘上方的高能宇宙射线广延空气簇射（EAS）产生的光学切伦科夫信号进行建模。结果表明，EUSO-SPB2 和 POEMMA 任务的事件率可超过每小时数百次，证明了利用宇宙射线背景作为切伦科夫探测仪器在轨校准源的可行性。

ABSTRACT

Future experiments based on the observation of Earth's atmosphere from sub-orbital and orbital altitudes plan to include optical Cherenkov cameras to observe extensive air showers produced by high-energy cosmic radiation via its interaction with both the Earth and its atmosphere. As discussed elsewhere, particularly relevant is the case of upward-moving showers initiated by astrophysical neutrinos skimming and interacting in the Earth. The Cherenkov cameras, by looking above Earth's limb, can also detect cosmic rays with energies starting from less than a PeV up to the highest energies (tens of EeV). Using a customized computation scheme to determine the expected optical Cherenkov signal from these high-energy cosmic rays, we estimate the sensitivity and event rate for balloon-borne and satellite-based instruments, focusing our analysis on the Extreme Universe Space Observatory aboard a Super Pressure Balloon 2 (EUSO-SPB2) and the Probe of Extreme Multi-Messenger Astrophysics (POEMMA) experiments. We find the expected event rates to be larger than hundreds of events per hour of experimental live time, enabling a promising overall test of the Cherenkov detection technique from sub-orbital and orbital altitudes as well as a guaranteed signal that can be used for understanding the response of the instrument.

研究动机与目标

• 使用亚轨道和轨道平台，对从地球边缘上方观测的高能宇宙射线广延空气簇射（EAS）的光学切伦科夫辐射进行建模。
• 评估未来仪器（如 EUSO-SPB2 和 POEMMA）在高空使用切伦科夫探测技术的灵敏度与预期事件率。
• 评估地球边缘上方宇宙射线事件作为高重复率、在轨校准源在切伦科夫望远镜中的潜力。
• 量化由于大气折射导致的折射切伦科夫光背景，该背景可能被误认为是中微子诱发的事件。
• 探索利用这些信号进行仪器响应表征与初级粒子能量重建的可行性。

提出的方法

• 将先前用于中微子诱发 EAS 的定制化计算方法改进，用于模拟从地球边缘上方轨迹观测的宇宙射线诱发 EAS 的切伦科夫辐射。
• 模拟稀薄高层大气中粒子簇射的发展过程，考虑高空观测的几何构型。
• 计算切伦科夫光子产额与传播过程，包括可能使簇射源点误重构的大气折射效应。
• 使用详细的气象模型计算折射率与消光系数，以确定信号衰减与角分布。
• 将模拟应用于两个任务概念：EUSO-SPB2（33 km 高度的平流层气球载）与 POEMMA（525 km 高度的轨道飞行器），二者具有不同的光学系统与视场。
• 结合时间分辨信号建模与快速成像能力（10–20 ns 积分时间），评估探测性与触发效率。

实验结果

研究问题

• RQ1 EUSO-SPB2 和 POEMMA 任务中，来自地球边缘上方宇宙射线 EAS 的光学切伦科夫信号的预期事件率是多少？
• RQ2 大气折射如何影响地球边缘上方宇宙射线簇射的重建？其对中微子探测的背景影响如何？
• RQ3 宇宙射线 EAS 的切伦科夫信号特征（空间分布、时间结构、光子能谱）与中微子诱发 EAS 的相似程度如何？
• RQ4 地球边缘上方的宇宙射线事件能否作为亚轨道与轨道平台切伦科夫望远镜的可靠在轨校准源？
• RQ5 利用这些信号验证高空切伦科夫探测器的能量重建与仪器响应的潜力有多大？

主要发现

• 对于 EUSO-SPB2 和 POEMMA，地球边缘上方宇宙射线 EAS 的预期事件率超过每小时数百次，可提供强大且持续的校准信号。
• 地球边缘上方宇宙射线 EAS 的切伦科夫信号在空间与时间分布上几乎与地平线下方中微子诱发 EAS 的信号完全一致，光子能谱也极为相似。
• 大气折射可导致地球边缘上方宇宙射线信号被误重构为来自地平线以下，构成中微子探测的重要背景。
• 宇宙射线事件通量（在相似能量下比中微子通量高四个数量级）使其成为在轨仪器响应测试的理想选择。
• 现有切伦科夫望远镜设计（如 EUSO-SPB2 与 POEMMA）可探测到这些信号，证实了高空探测技术的可行性。
• 结果支持将宇宙射线事件作为验证切伦科夫信号重建全链条（从光学系统到触发系统）在真实飞行条件下的基准。