[论文解读] Studies on the response of a water-Cherenkov detector of the Pierre Auger Observatory to atmospheric muons using an RPC hodoscope

A. Aab, S. J. de Jong+376 more|UvA-DARE (University of Amsterdam)|Jul 8, 2020

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 19被引用 9

一句话总结

本研究通过电阻板室（RPC）束射计验证了皮埃尔·让天文台水契伦科夫探测器（WCD）对大气μ子的响应，结果显示在0°至55°天顶角范围内，数据与模拟结果的一致性达到2%。RPC实现了单个μ子轨迹的精确重建，并证实了基于μ子电荷响应的WCD长期校准稳定性。

ABSTRACT

Extensive air showers, originating from ultra-high energy cosmic rays, have been successfully measured through the use of arrays of water-Cherenkov detectors (WCDs). Sophisticated analyses exploiting WCD data have made it possible to demonstrate that shower simulations, based on different hadronic-interaction models, cannot reproduce the observed number of muons at the ground. The accurate knowledge of the WCD response to muons is paramount in establishing the exact level of this discrepancy. In this work, we report on a study of the response of a WCD of the Pierre Auger Observatory to atmospheric muons performed with a hodoscope made of resistive plate chambers (RPCs), enabling us to select and reconstruct nearly 600 thousand single muon trajectories with zenith angles ranging from 0$^\circ$ to 55$^\circ$. Comparison of distributions of key observables between the hodoscope data and the predictions of dedicated simulations allows us to demonstrate the accuracy of the latter at a level of 2%. As the WCD calibration is based on its response to atmospheric muons, the hodoscope data are also exploited to show the long-term stability of the procedure.

研究动机与目标

• 通过实验验证水契伦科夫探测器（WCD）对大气μ子响应的模拟结果，这是超高能宇宙射线（UHECR）能量重建中的关键不确定性来源。
• 解决长期以来在≥10^19 eV能量下，模拟与观测到的广延空气簇射中μ子数量之间的差异。
• 使用专用μ子束射计验证依赖于垂直穿过μ子电荷响应的WCD校准程序的准确性。
• 测量并重建约60万条天顶角为0°至55°的单个μ子轨迹，以评估在广泛入射角范围内的角度响应与电荷响应。
• 确认用于从全向μ子数据推导垂直μ子电荷的WCD校准标定因子的长期稳定性。

提出的方法

• 在WCD上部署电阻板室（RPC）束射计，以高角度和时间分辨率检测并重建单个μ子轨迹。
• 利用RPC的分块结构和触发逻辑识别并重建μ子轨迹，实现对特定天顶角（0°至55°）的单个μ子选择。
• 将束射计测得的电荷分布和轨迹参数与包含光电倍增管响应、水吸收长度和Tyvek反射率的详细探测器模拟结果进行比较。
• 利用束射计数据中的μ子电荷响应对WCD进行校准，特别验证了从全向μ子数据推断垂直μ子电荷所用的标定因子。
• 开展两次数据采集活动：一次针对倾斜μ子（最高至55°），一次针对近垂直μ子，以评估角度依赖性和校准一致性。
• 使用完整的模拟框架，包括探测器几何结构、光电倍增管量子效率（含角度依赖性）、水吸收长度（最高100 m）和Tyvek反射率（最高94.0%），参数在各WCD间取平均。

实验结果

研究问题

• RQ1 WCD模拟在多大程度上准确再现了水契伦科夫探测器对不同天顶角（0°至55°）大气μ子的电荷响应？
• RQ2 从全向μ子数据推导垂直μ子电荷所用的标定因子有多精确？能否通过专用μ子束射计实现独立验证？
• RQ3 模拟是否准确地建模了WCD中μ子信号沉积的角依赖性，特别是对倾斜μ子？
• RQ4 基于μ子电荷响应的WCD校准程序的长期稳定性如何，是否可通过束射计测量得到证实？
• RQ5 广延空气簇射中模拟与观测到的μ子数量之间的差异，是否主要源于WCD模拟的不准确，还是更可能源于强子相互作用模型？

主要发现

• RPC束射计测得的电荷分布与模拟预测在0°至55°所有天顶角范围内一致，误差在2%以内，证实了WCD模拟的高保真度。
• 利用RPC束射计对用于从全向μ子数据推导垂直μ子电荷的标定因子实现了更高精度的验证，确认其可靠性。
• 模拟准确地建模了WCD中μ子信号响应的角依赖性，重建轨迹和电荷分布中未观察到显著偏差。
• 通过长时间数据采集周期内一致的μ子电荷测量，证实了WCD校准程序的长期稳定性。
• 本研究表明，探测器模拟的不确定性并非超高能宇宙射线簇射中观测到μ子数量不足的主要原因，提示该差异更可能源于强子相互作用模型而非探测器响应。
• 平均水吸收长度被约束在≤100 m，Tyvek反射率被约束在≤94.0%，这些参数对最终电荷响应有可测量但微小的影响。