[论文解读] Possibility of measurement of cosmic ray electron spectrum up to 100 TeV with two-layer water Cherenkov detector array

A. Neronov, D. Semikoz|arXiv (Cornell University)|Feb 16, 2021

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 1被引用 4

一句话总结

该论文提出了一种基于海平面双层水契伦科夫探测器阵列的海平面两层水契伦科夫探测器阵列，配备连续Muon探测层，用于测量高达100 TeV的宇宙射线电子+正电子能谱。通过在10 TeV能量下实现约10⁻⁵的强子背景抑制因子，该装置可在无需高海拔运行的条件下实现高精度电子能谱测量，利用电子与强子引发簇射之间Muon含量的差异。

ABSTRACT

Measurements of cosmic ray electron+positron spectrum above 10 TeV with ground-based experiments is challenging because of the difficulty of rejection of hadronic extensive air shower background. We study the efficiency of rejection of the hadronic background with water Cherenkov detector array supplemented by muon detection layer. We show that addition of a continuous muon detection layer to the experimental setup allows to achieve a ~ 1e-5 rejection factor for hadronic background at 10 TeV and enables measurement of electron spectrum in 10-100 TeV energy range. We show that measurements of electron spectrum in this energy range do not require a high-altitude experiment and can be done with a sea-level detector.

研究动机与目标

• 利用地面探测器实现10–100 TeV能量范围内宇宙射线电子+正电子能谱的精确测量。
• 解决在10 TeV能量下强子广延大气簇射（EAS）背景比电子诱导EAS多约10⁴倍的挑战。
• 证明配备连续Muon探测层的海平面探测器可实现足够高的背景抑制，以实现电子能谱测量。
• 评估利用现有水契伦科夫中微子探测器基础设施作为宇宙射线实验中Muon探测层的可行性。
• 比较海平面与高海拔探测器构型在电子能谱测量中的性能表现。

提出的方法

• 利用位于地表水契伦科夫探测器下方的连续Muon探测层，构建双层水契伦科夫探测器阵列（WCDA）。
• 利用电子诱导与强子诱导广延大气簇射（EAS）中Muon含量的显著差异进行背景抑制。
• 通过建模水中的Muon探测效率和契伦科夫光产额，估算10–100 TeV能量范围内信号与背景的比值。
• 使用数值模板模拟电子和质子诱导的EAS，通过比较Muon含量和时间特征以优化背景抑制。
• 采用150×150 m²探测面积、30°天顶角接受度以及一年暴露时间，结合统计误差与5%系统误差模型评估探测器性能。
• 在海平面与4.5 km海拔条件下评估性能，以比较探测效率与背景抑制能力。

实验结果

研究问题

• RQ1 配备连续Muon探测层的海平面水契伦科夫探测器阵列是否可在10 TeV能量下实现约10⁻⁵的强子背景抑制因子？
• RQ2 为实现高达100 TeV的电子能谱测量，所需的Muon探测效率与布局应达到何种水平？
• RQ3 在10 TeV以上能量范围内，海平面探测器与高海拔探测器在电子能谱测量中的性能表现如何比较？
• RQ4 现有水下中微子探测器基础设施是否可改造为宇宙射线实验中的Muon探测层？
• RQ5 电子能谱的陡峭程度对海平面探测的可探测性有何影响？在何种情况下必须采用高海拔部署？

主要发现

• 在双层水契伦科夫探测器阵列中配备连续Muon探测层，可在10 TeV能量下实现约10⁻⁵的强子背景抑制因子，从而实现10–100 TeV能量范围内电子能谱的测量。
• 当10 TeV处的通量达到HESS数据外推的上限时，海平面探测器可实现电子能谱测量，此时信号统计量可达残余背景的约10%。
• 在较低通量水平下（例如与VERITAS或2008年HESS数据一致），电子信号统计量低于残余背景，若无额外探测增强手段，海平面测量将不可行。
• 当电子能谱较陡时，必须采用高海拔探测器（例如4.5 km）才能在约20 TeV以下能量实现高质量测量。
• 即使不具备高海拔优势，海平面双层探测器在20 TeV以上能量范围内的测量质量可与高海拔探测器相媲美。
• 现有浅深度水契伦科夫中微子探测器基础设施（例如ANTARES、Baikal-GVD、KM3Net）可通过稀疏布局（模块间距达20 m）并使用大尺寸12” PMT，实现向Muon探测层的再利用。