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

Z. Cao, D. della Volpe+92 more|arXiv (Cornell University)|May 7, 2019

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用 100

一句话总结

一份对 LHAASO 的多分量仪器设计（KM2A、WCDA、WFCTA、ENDA）及现场性能的全面描述，及在银河和星系外伽玛射线天文学、宇宙线物理、暗物质与多信使研究的潜在能力。

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 仪器群及其探测器技术（KM2A、WCDA、WFCTA、ENDA）及其性能目标。
• 解释 LHAASO 如何实现对伽玛射线和宇宙线在 PeV 能量范围内的高灵敏度测量。
• 概述现场操作能力与实现多信使和基础物理研究的同步基础设施。

提出的方法

• 描述探测器部件及其布局（ED、MD、WCDA、WFCTA、ENDA）及其整合。
• 给出关键性能参数：有效面积、角分辨率与核心分辨、能量分辨率与灵敏度。
• 解释时钟同步（White Rabbit 协议）以及 DAQ/触发架构（前端数字化、无触发方案）。
• 总结自部署以来现场性能指标，包括同步精度与稳定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 LHAASO 的 KM2A 在探测 30 TeV 以上伽玛射线与高达 100 PeV 的宇宙线测量方面的设计性能目标是什么？
• RQ2 WCDA 如何在 100 GeV–30 TeV 范围内实现高灵敏伽玛射线调查与扩展源观测？
• RQ3 KM2A 与 WCDA 探测器可达到的角分辨、核心与能量分辨率是多少，以及它们如何推动 PeVatron 与超高能伽玛射线研究？
• RQ4 整合探测器组（KM2A、WCDA、WFCTA、ENDA）如何支撑多信使与超越标准模型的物理研究？
• RQ5 2021 年 8 月部署后，现场性能指标（同步、稳定性和触发性能）达到哪些？

主要发现

• KM2A 在 30 TeV 时的有效面积约为 0.8 km2，能量分辨率约为 28%。
• KM2A 提供可用于识别 PeVatrons 与重建 EAS 属性的角度与核心位置分辨率（30 TeV 时核心分辨 7 m；1 PeV 时 2 m）。
• 该阵列目标是在 100 TeV 以上一年观测实现大彗星星类源灵敏度约 1% Crab Unit。
• WCDA 覆盖 78,000 m2，分三池，提供 100 GeV–30 TeV 的高灵敏度伽玛射线调查，具备大面积 PMT 探测。
• 截至 2021 年 8 月的现场性能显示安装了 5216 个 ED，同步精度在 1 ns 之内，触发率稳定，阵列观测到月影。
• MD 探测器（1188 个罐，36 m2/罐）提供 μ 子含量测量，单 μ 能量分辨 ~25%，时间分辨 ~10 ns，有助于在 EAS 核区进行组成研究。