[论文解读] Summary Report of JEM-EUSO Workshop at KICP in Chicago

Jenni Adams, Luis A. Anchordoqui+13 more|arXiv (Cornell University)|Mar 15, 2012

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 6

一句话总结

本文总结了在基普（KICP）举行的JEM-EUSO研讨会，概述了该任务的目标：利用国际空间站（ISS）上的荧光望远镜探测来自太空的超高能宇宙射线（UHECRs），以实现约10⁶ km² sr yr的极大探测量。研究详细介绍了利用搭载于NASA P3B飞机上的机载激光源（GLS-AXHL）建立全球地面校准系统，以验证仪器性能和大气响应，从而实现对UHECRs的精确源定位与能谱分析，以探究其起源，并检验GZK抑制效应及宇宙射线加速极限。

ABSTRACT

This document contains a summary of the workshop which took place on 22 - 24 February 2012 at the Kavli Institute of Cosmological Physics in the University of Chicago. The goal of the workshop was to discuss the physics reach of the JEM-EUSO mission and how best to implement a global ground based calibration system for the instrument to realize the physics goal of unveiling the origin of the highest energy cosmic rays.

研究动机与目标

• 定义JEM-EUSO任务的物理目标，以解析能量高达10²⁰ eV的超高能宇宙射线（UHECRs）的起源。
• 设计并实施基于机载激光源的全球地面校准系统，以在真实大气条件下验证JEM-EUSO仪器的性能。
• 实现对UHECR能谱和各向异性的精确测量，以检验GZK抑制效应，并确定该抑制是源于星际光子相互作用还是宇宙射线加速器的能量上限。
• 通过高空气球和飞机试验飞行，验证数据获取、信号探测和大气校正技术，为未来的空间观测做好准备。
• 支持首次发现UHECR源，并探测星系际磁场以及潜在的ZeV中微子信号。

提出的方法

• 利用国际空间站（ISS）上的JEM-EUSO荧光望远镜探测由UHECRs引发的广延空气簇射（EAS）所产生的氮荧光光。
• 将GLS-AXHL（地面激光源—机载X射线与高强度激光）系统部署于NASA P3B飞机上，以在不同高度模拟EAS信号。
• 在P3B飞机上安装Schott BK7和石英观察窗，以实现337、357和391 nm波长激光的穿透与仪器接收。
• 在NASA的沃尔科斯飞行设施（WFF）进行工程与检查飞行，以验证集成、供电和数据获取系统，为全面任务部署做准备。
• 在预设高度以椭圆航线飞行P3B，其中一条航段距离高空气球地面轨迹小于1 km，另一条在10 km距离处，以测试不同大气路径下的信号检测能力。
• 通过地面人员的实时反馈确认GLS信号检测，并验证未来空间飞行任务的数据分析流程。

实验结果

研究问题

• RQ1 JEM-EUSO任务能否实现约10⁶ km² sr yr的必要探测量，以获得足够统计量来定位UHECRs的来源？
• RQ2 宇宙射线能谱中观测到的GZK抑制效应是源于宇宙微波背景中的光致强子产生，还是由于宇宙加速器的能量上限？
• RQ3 P3B飞机上的GLS-AXHL系统能否在不同大气条件和高度下准确校准JEM-EUSO仪器？
• RQ4 在EAS观测中，不同高度的大气吸收与散射对荧光光探测有何影响？
• RQ5 如果宇宙射线加速器能够产生能量超过E_GZK ≈ 6×10¹⁹ eV的粒子，该任务能否探测到GZK抑制区域之上的能谱恢复？

主要发现

• JEM-EUSO任务设计的探测量约为10⁶ km² sr yr，可实现超高能宇宙射线的高统计量观测。
• 在能量高于~5.6×10¹⁹ eV时观测到宇宙射线能谱中的GZK抑制效应，2010年皮埃尔·让天文台的测量显著性超过20σ。
• P3B飞机上的GLS-AXHL系统将用于验证仪器响应、大气透射率及数据获取能力，覆盖10至20 km的高度范围。
• P3B将在预设高度以椭圆航线飞行，其中一条航段距离高空气球地面轨迹小于1 km，另一条在10 km距离处，以测试不同大气路径下的信号检测。
• Schott BK7玻璃窗被选定用于三个主要氮荧光谱线（337、357和391 nm）的光学透射，石英作为备用选项。
• 该任务旨在探测首批UHECR源，并可能观测到ZeV中微子，为宇宙中的拓扑缺陷提供证据。