[论文解读] Search for extreme energy cosmic ray candidates in the TUS orbital experiment data

S. Biktemerova, Botvinko, A. A.+28 more|arXiv (Cornell University)|Jun 16, 2017

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 25被引用 7

一句话总结

本文首次在TUS轨道实验的数据中搜索极端能量宇宙射线（EECR）候选事例，该实验利用空间荧光探测器观测能量超过50 EeV的广延空气簇射（EAS）。研究采用多级触发和时空分析方法，识别出13个初步的EAS候选事例，其中四个具有明显水平方向特征、三个具有垂直方向特征的EAS样事件被选为后续研究对象，尽管背景信号和探测器响应效应带来了挑战。

ABSTRACT

TUS (Track Ultraviolet Setup) is the first space experiment aimed to check the possibility of registering extreme energy cosmic rays (EECRs) at E>50 EeV by measuring the fluorescence signal of extensive air showers in the atmosphere. The detector operates as a part of the scientific payload of the Lomonosov satellite for more than a year. We describe an algorithm of searching for EECR events in the TUS data and briefly discuss a number of candidates selected by formal criteria.

研究动机与目标

• 使用基于卫星的荧光探测器在E > 50 EeV能量范围内探测极端能量宇宙射线（EECRs）。
• 通过利用卫星仪器的广阔探测面积，克服EECR通量低的难题。
• 开发并应用多级触发与事例重建算法，以识别轨道数据中的EAS样信号。
• 评估在轨探测EECR的可行性，并利用Lomonosov卫星上TUS实验的真实数据验证该方法。
• 将真实的EAS事例与背景信号（如闪电和人工照明）区分开来。

提出的方法

• 利用搭载在Lomonosov卫星上的TUS探测器，该探测器采用2.0 m²菲涅尔镜面聚光器和256通道光电倍增管（PMT）阵列，收集EAS产生的紫外荧光和切伦科夫辐射。
• 采用两级触发系统：基于PMT信号移动和的阈值触发，以及基于像素映射连续性的触发，以识别在空间和时间上相关的事例。
• 应用移动平均滤波器（16个时间步长窗口）重建信号波形，并提取如峰值时间、半高全宽（FWHM）等时间参数。
• 通过空间模式分析，根据活动像素在视场中的分布与运动，将事例分类为垂直或水平方向的EAS候选。
• 通过与闪电探测网络（如Vaisala GLD360）交叉比对，并评估气象条件与人为照明状况，实现背景抑制。
• 应用经验性标准过滤非物理事例，仅保留具有符合EAS预期的空间-时间动力学特征的事例。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否利用荧光和切伦科夫辐射从空间探测到由极端能量宇宙射线引发的广延空气簇射？
• RQ2 TUS探测器的触发与数据处理系统在识别低信噪比轨道数据中的EAS样事例方面表现如何？
• RQ3 TUS数据中的时空信号模式与垂直和倾斜EAS的预期相比有何异同？
• RQ4 闪电和人工光源等背景信号在轨道紫外数据中在多大程度上可能模拟出EAS特征？
• RQ5 在TUS运行第一年中识别出的候选EAS事例具有哪些关键特征？

主要发现

• 通过多级触发与时空分析，在TUS数据集中识别出13个初步的EAS候选事例。
• 四个候选事例表现出清晰的水平EAS样行为，信号在时间上沿连续像素传播，表明簇射轨迹呈倾斜方向。
• 三个候选事例表现出与垂直EAS一致的特征，信号集中于单个或少数相邻像素，FWHM持续时间约为50 μs。
• 事例#3（一个水平EAS候选）表现出70–100 μs的信号持续时间，且像素间存在峰值时间偏移，支持其为倾斜簇射起源。
• 在事例#3的感兴趣区域930 km半径范围内，10秒窗口内未检测到闪电，显著降低了其源于雷暴的可能性。
• 其余六个候选事例因空间-时间模式不一致或背景污染被剔除，证实了筛选标准的稳健性。