[论文解读] The JEM-EUSO program

Francesco Fenu|arXiv (Cornell University)|Mar 6, 2017

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用 4

一句话总结

JEM-EUSO计划提出在国际空间站（ISS）上部署一个基于空间的观测站，利用宽视场紫外相机探测超大质量宇宙射线（UHECRs）的荧光光，其原理是通过广延空气簇射产生的荧光光。该计划通过一系列探路者任务——EUSO-TA、EUSO-Balloon、EUSO-SPB和Mini-EUSO——验证技术与触发系统，最终实现K-EUSO，即一个全尺寸探测器，预计在2020年代初实现全空域、高统计量的UHECR观测，覆盖范围和灵敏度在5×10¹⁹ eV以上达到前所未有的水平。

ABSTRACT

JEM-EUSO is an international collaboration for the development of space--based Ultra High Energy Cosmic Ray (UHECR) detectors. The instrument consists of a wide Field Of View (FOV) camera for the detection of the UV light emitted by Extensive Air Showers (EAS) in the atmosphere. Within the JEM-EUSO framework several pathfinders have been developed or are in course of development: EUSO-TA, EUSO-Balloon, EUSO-SPB and Mini-EUSO. For the near future the K-EUSO detector is foreseen to detect cosmic rays from space. In this paper we present the JEM-EUSO project and give an overview of the pathfinders and of their results.

研究动机与目标

• 开发一种基于空间的探测器，利用广延空气簇射产生的荧光光探测超大质量宇宙射线（UHECR）。
• 通过在低地球轨道实现均匀、全空域覆盖，克服地面探测器的局限性。
• 通过一系列探路者任务验证关键技术——触发系统、光电倍增管和校准方法。
• 实现对UHECR各向异性的高统计量研究、源定位以及超GZK谱的研究。
• 利用同一紫外探测平台探索其他现象，如极光、流星、极光和空间碎片。

提出的方法

• 利用安装在400公里轨道上的宽视场（±30°）紫外相机，探测大气中广延空气簇射产生的荧光光。
• 采用折射镜系统，通过三个菲涅尔透镜将光线聚焦到装有约5000个多阳极光电倍增管（MAPMTs）的焦平面上，实现单光子计数。
• 采用分层触发系统，结合SPACIROC ASIC和FPGA，将数据率从约100 GB/s降低至3 GB/天，同时保留物理事件。
• 采用模块化电子架构，光电探测模块（PDMs）由6×6个MAPMT组成，每个MAPMT包含64个3×3 mm的像元。
• 通过激光源（如TA中央激光设施）、闪光器和LED对探测器进行校准，以模拟宇宙射线簇射信号。
• 在探路者任务（如EUSO-SPB和Mini-EUSO）中部署自主触发系统，证明无需地面触发即可在飞行中实现探测。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于空间的紫外相机是否能够以足够的灵敏度和触发效率探测到由UHECR引发的广延空气簇射产生的荧光光？
• RQ2 探路者任务在在轨部署前，能在多大程度上验证关键探测器组件和触发算法的性能？
• RQ3 从低地球轨道探测器实现的全空域覆盖在测量UHECR到达方向的大尺度和小尺度各向异性方面，其均匀性和有效性如何？
• RQ4 在高空气球或国际空间站上，无需外部触发，是否可行实现UHECR的自主探测？
• RQ5 同一台仪器是否能够从轨道探测并表征非宇宙射线现象，如流星、瞬态发光事件（TLEs）和空间碎片？

主要发现

• EUSO-TA成功与 Telescope Array 在时间上一致地探测到宇宙射线事件，对其中一次事件的初步能量估计为10¹⁸.³ eV，并利用激光和闪光器源验证了触发算法。
• EUSO-Balloon在一次8小时的飞行中成功实现了紫外背景映射，首次从临近空间拍摄到大气紫外辐射的全空域图像。
• EUSO-SPB在犹他州的地面测试中成功实现了对激光诱导的簇射样信号的自主触发，证实其具备无需人工干预的在轨探测能力。
• 2017年发射的Mini-EUSO成功模拟并探测到流星信号，测量了大气紫外背景，验证了其在非UHECR科学中的能力。
• K-EUSO设计用于在GZK能量范围内实现类似Auger探测器的全空域覆盖和统计量，标志着首个在轨运行的全尺寸UHECR探测器。
• 整个JEM-EUSO计划已证明探测器电子系统、触发系统和校准方法的技术成熟度，为未来基于空间的UHECR科学研究奠定了坚实基础。