[论文解读] The Large High Altitude Air Shower Observatory (LHAASO) Science Book
 (2021 Edition)

Zhen Cao, D. della Volpe+90 more|arXiv (Cornell University)|May 7, 2019

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 16被引用 85

一句话总结

本文介绍了LHAASO观测站的仪器组（KM2A、WCDA、WFCTA、ENDA）及其现场性能、同步和数据框架，概述LHAASO如何实现高能伽玛射线与宇宙射线研究。

ABSTRACT

Since the science white paper of the Large High Altitude Air Shower
 Observatory (LHAASO) published on arXiv in 2019 [e-Print: 1905.02773
 (astro-ph.HE)], LHAASO has completed the transition from a project to an
 operational gamma-ray astronomical observatory LHAASO is a new generation
 multi-component facility located in Daocheng, Sichuan province of China, at an
 altitude of 4410 meters. It aims at measuring with unprecedented sensitivity
 the spectrum, composition, and anisotropy of cosmic rays in the energy range
 between 10$^{12}$ and 10$^{18}$~eV, and acting simultaneously as a wide
 aperture (one stereoradiant) continuously operating gamma-ray telescope in the
 energy range between 10$^{11}$ and $10^{15}$~eV with the designed sensitivity
 of 1.3\\% of the Crab Unit (CU) above 100 TeV. LHAASO's capability of measuring
 simultaneously different shower components (electrons, muons, and
 Cherenkov/fluorescence light), will allow it to investigate the origin,
 acceleration, and propagation of CR through measurement of the energy spectrum,
 elemental composition, and anisotropy with unprecedented resolution. The
 remarkable sensitivity of LHAASO will play a key role in CR physics and
 gamma-ray astronomy for a general and comprehensive exploration of the high
 energy universe and will allow important studies of fundamental physics (such
 as indirect dark matter search, Lorentz invariance violation, quantum gravity)
 and solar and heliospheric physics. The LHAASO Collaboration organized an
 editorial working group and finished all editorial work of this science book,
 to summarize the instrumental features and outline the prospects of scientific
 researches with the LHAASO experiment.

研究动机与目标

• 概述 LHAASO 仪器复合体及其探测器技术。
• 解释 KM2A、WCDA、WFCTA 和 ENDA 组件如何协同工作，以研究宇宙射线和伽玛射线。
• 描述 LHAASO 使用的时钟同步、DAQ/触发系统和离线软件框架。
• 突出现场性能基准及与设计目标的一致性。

提出的方法

• 描述 KM2A 的 ED 和 MD 阵列及其在伽玛射线探测和 μon 测量中的作用。
• 详细介绍 WCDA 的水切伦科夫水池、PMT 配置及校准策略。
• 解释 WFCTA 望远镜设计及其与阵列的耦合/整合。
• 概述 ENDA 的电子-中子探测概念及其预期用途。
• 总结通过 White Rabbit 实现的时钟同步以及 DAQ/触发架构和 LodeStar 分析框架。

实验结果

研究问题

• RQ1 在关键能量（例如 30 TeV、1 PeV）下，KM2A 的预期性能指标（有效面积、角分辨率、能量分辨率）是什么？
• RQ2 KM2A 与 WCDA 如何抑制 hadronic 背景并提升 gamma-ray 探测？
• RQ3 利用 LHAASO 的多组件系统，对银河和星系外伽玛射线源的可达到灵敏度和观测能力是多少？
• RQ4 现场同步与数据采集系统如何在所有探测器之间支持精确定时与数据完整性？
• RQ5 在十年的运行期内，对 EDs、MDs 以及 WCDA 的校准、稳定性和长期性能预期是什么？

主要发现

• KM2A 在 30 TeV 时的等效面积可达到约 0.8 km2，且在 30 TeV 的能量分辨率约为 28%。
• KM2A 的 μ子探测阵列实现强背景抑制，在 30 TeV 时核心位置分辨率约为 7 m，在 1 PeV 时约为 2 m。
• MD 阵列（36 m2 坦克）实现约 95% 的 muon 探测效率，动态范围高达 10^4 muons，时间分辨率约为 10 ns。
• WCDA 由 3 个泳池组成，总有效面积 78,000 m2，对 100 GeV–30 TeV 伽玛射线敏感，未来有将 PMTs 升级到 20-inch 以扩展动态范围和灵敏度的潜力。
• 现场性能显示所有 5216 EDs 安装并同步到 <1 ns，触发率稳定且重建的 EAS 前沿清晰可见（例如观测到月亮阴影）。
• WCDA 在 TeV 范围内实现了世界领先的巡天灵敏度，能够监测星系外源和 GRBs，通过光纤网络的详细校准系统（时间/电荷）。