粒子天体物理.docx
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粒子天体物理
粒子天体物理
2．1地面宇宙线试验观测和宇宙线超高能物理
2．1．1羊八井国际宇宙线观测站
1．羊八井ARGO实验
羊八井宇宙线观测站位于西藏拉萨市西北90公里的青藏和中尼公路交叉点附近，念青唐古拉山脚下的一个长约70公里、宽约7—15公里的小盆地内。
有地热电厂为邻，冬天基本无积雪，交通、通讯常年畅通。
目前的中意合作羊八井ARGO实验就坐落这里，占地70亩。
羊八井ARGO实验，是北半球最高、自然和社会条件最好的宇宙线地面实验，就甚高能射线天文、超高能宇宙射线和太阳活动变化进行全天候的常年持续的观测和研究。
阵列由130个Cluster约5500m2的中心“地毯”和由24个Cluster的RPC构成的外围保护圈组成，全部安装在由聚氨脂夹心板建成的1万m2实验大厅内。
有18480路电子学数据采集通道，设计每分钟可记录数十万个广延大气簇射。
其特点为：
1.高海拔加上全覆盖（地毯），能在地面开展低阈能、高灵敏度、宽视场、全天侯天文。
2.将传统的取样式EAS阵列发展到极致－全覆盖，能对宇宙线事例的精细结构做深入研究，使之成为测量宇宙线成分的有力工具。
3.多达154路的低阈能、低纬度单道计数为监测太阳活动提供了极佳的条件，可用于高能太阳耀斑伴随的宇宙线事例的研究。
2006年，中方完成了全部153个cluster共6500m2探测面积的安装，于6月实现了中心地毯130个cluster（5500m2）的连续稳定运行。
实现了设计的最终触发模式。
截止2006年底，已经产生数十TB的宇宙线数据，物理分析已经全面展开，某些进展较快的专题已经取得初步结果，在2007年召开的国际宇宙线大会上，ARGO合作组将有约15个专题报告。
下面分1）探测器建设；2）探测器标定；3）探测器试运行；4）宇宙线事例重建；5）初步物理分析；6）国际/国内合作及学术活动；7）人才培养等方面介绍ARGO实验开展的情况。
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探测器建设：
在2005年，中方组织了四个安装梯队独立完成4400平方米中心探测器的基础上，06年有派出两个安装梯队和一个调试梯队，每个梯队在羊八井工作三个月，于6月初完成130个共5500平方米主探测器的安装，完成最终的调试并从6月底开始投入正式运行，实现了地毯式设计的高事例率触发模式，即大于20个粒子击中探测器的符合触发判选条件，事例率达到3000HZ。
下半年，积极配合意方完成了外围23个用于反符合的探测器安装，使有效覆盖面积达到6500平方米。
如下图所示。
FIG1：
ARGO实验探测器分布图。
颜色表示安装的进度，中心地毯已经全部投入运行。
（2）探测器标定：
中意双方在探测器试运行伊始就投入大量精力对探测器进行标定。
由于探测器单元数目庞大，传统的人工定标方式不再可行，为此中方发展了一套探测器离线定标的新方法（特征面法），该方法成功解决了ARGO探测器定标的难题，实现时间定标精度优于0.4ns。
06年中方及时针对ARGO实验不同运行阶段完成了中央地毯的定标，为数据重建和物理分析工作提供了保证。
（3）探测器运行：
ARGO探测器在最终触发模式下已经稳定运行了10个月，中方专人负责运行及阵列维护，基本实现了数据获取不间断，原始数据经羊八井到北京的155Mbps网络日同步传输到高能所。
FIG2：
探测器数目和观测数据量随时间增长情况。
（4）宇宙线事例重建：
在原有事例重建程序的基础上，中方合作组开展了独立的事例重建，瞄准检验探测器方向测量分辨率的月亮阴影测量这一目标，开展了一系列的数据质量检验和重建方法上的研究，在改善事例方向重建和簇射事例芯位确定精度方面都取得了明显进步，为2007年中最终确定月亮阴影，实现对探测器方向测量的绝对定标打下了坚实的基础。
（5）初步物理结果：
用已经采集的数十TB的数据，中意双方都及时开展了物理分析。
暴搜索
用单道计数数据跟踪SWIFT测量到的暴事例。
从2004年12月到2006年12月的时间范围内，初步搜索的结果没有发现高能信号。
宇宙线能谱、成分、强相互作用截面
膝区宇宙线的起源和加速紧密地联系着不同分成分的能谱，尤其是质子能谱的形状和其拐点的位置。
而且由于中日ASγ和KASCADE实验给出的质子能谱在膝区有明显不同，这一工作对ARGO实验是非常重要的。
利用不同成分的簇射的横向分布、几何形状和到达时间等多个参量，我们通过MonteCarlo模拟研究探讨了这些参数和成分的关联。
这项工作仍在进行之中。
不同成分的簇射的粒子密度梯度（5/20）和其不对称性（）的关联分布显示对原初宇宙线的成分有较好的关联（Fig.3）
Fig3Fig.4簇射大小分布。
利用“中心地毯”的130clusters在2006年7-9月的高多重数的数据（~1百万个事例），通过对簇射size谱的测量（Fig.4），我们研究和测量了簇射的吸收和作用长度。
而且通过吸收长度，也对宇宙线和空气核的强相互作用截面进行了研究。
初步结果显示在100TeV,其大小是340mb,基本与模型预言相符。
对不同成分的影响和系统误差的估计、进一步研究质子和空气核的强相互作用截面、积累更多数据正在进行。
（6）国际/国内合作及学术交流：
2006年10月，中意双方在意大利那不勒斯召开了第四次羊八井ARGO实验合作组大会，中方派出10名物理学家出席了大会，意方共有20多名代表出席了大会。
时逢ARGO探测器建设完成任务完成并经历了几个月的稳定运行，会议就如何保持探测器的稳定运行，顺利开展物理分析并早日做出有价值的物理成果等展开了充分的讨论和部署。
中方合作者积极参与了8月在威海举行的第14届国际甚高能宇宙线相互作用系列研讨会，这是20年之后重返中国召开的国际宇宙线物理界具有影响的系列会议之一。
羊八井ARGO实验中意双方各派出十几名成员参加了。
共发表包括大会邀请报告在内的口头报告8个（意方1个），书面报告2个。
全年中方合作组召开了两次合作组会议，总结了各个时期的工作状况，对2005年设立的如下子课题进行了检查和调整：
①利用羊八井ARGO实验全天区搜寻甚高能射线源；
②羊八井ARGO实验的“膝”区物理模拟研究；
③利用ARGO实验研究宇宙线时间变化；
④羊八井ARGO阵列的重建研究；
⑤关于《用EAS和ARGO数据研究大气环境对宇宙线探测器探测数据的影响》的可行性报告；
⑥利用羊八井RPC地毯式阵列寻找甚高能射线源；
⑦射线源的粒子加速和高能辐射的研究；
⑧用ARGO实验寻找E>10GeV的暴。
（7）人才培养：
2006年毕业博士一名，有10名在读研究生和2位在职研究生参加羊八井ARGO实验，其中一些研究生已经在数据分析、探测器安装、检测和运行等方面发挥了重要的作用，成为羊八井ARGO实验的生力军。
2．AS-GAMMA实验
中日合作的ASγ、中子监测和中子望远镜在2006年保持着正常的运行。
此外，还深入开展了改进探测器的各项预研工作，这包括开展“芯”探测器（用于测量“膝”区宇宙线能谱和成份）束流标定的准备工作，包括在羊八井安装和运行用来鉴别γ和强子的水切伦可夫探测器样机，其测量结果很好的和MC一致，为下一步提高γ天文灵敏度打下了坚实的基础。
在数据分析方面，中日实验的数据一方面可以分析物理成果，另一方面为中方开展中意ARGO实验的数据分析提供真实的训练环境。
基于此，我们利用中日数据开展了月影分析，在γ源寻找，γ暴寻找，宇宙线的大尺度各向异性也开展了研究，利用中子监测和中子望远镜数据还开展了太阳宇宙线的研究。
有关宇宙线大尺度各向异性的工作得到《科学》杂志的审稿人的好评，其中一位审稿人更称之为里程碑式的成果。
通过这些工作培养的数据分析队伍，已顺利地开展了中意ARGO试运行数据的分析工作。
3．暗物质探测可行性研究
我们本年度的工作主要围绕着在羊八井实验上进行暗物质探测可行性的研究上。
我们探索了如何在羊八井实验上探测暗物质并计算了相关的物理信号；为研究暗物质探测的本底效应，我们开展了宇宙线传播的理论研究。
我们模拟了ARGO探测器的性能，预言了ARGO进行暗物质探测的灵敏度。
银河系的弥散伽马射线由EGRET卫星实验得到了精确的测量。
然而，卫星实验的数据在高于1GeV的能谱却大于理论所预言的值。
这个问题激发了许多研究，然而，在宇宙线物理领域内的改进并没有得到特别好的解决方案。
我们考虑了用暗物质湮灭来解决的可能性，并重新计算了宇宙线本底的贡献，以及暗物质子结构对于暗物质湮灭流强的增强效应。
我们得到与实验数据点符合的非常完美的结果，在不同的天区可以同时解释弥散伽马射线的能谱。
2．1．2中微子物理研究
1．宇宙线τ中微子望远镜（CRTNT）实验
“CRTNT计划”是中科院支持的“百人计划”项目，其主要目标是开展CRTNT探测器的预先研究，为超高能（>1017eV）宇宙线探测实验和τ中微子（>1015eV）探测提供技术准备，研制可移动大气荧光/Cerenkov光宇宙线探测器。
同时与美国HiRes实验组合作，研究超高能（>5×1018eV）宇宙线物理，包括极高能区宇宙线能谱，BLLac天体作为宇宙线源的寻找，宇宙线成份和极高能/稀有事例搜索，共四个题目。
HIRES实验是北半球唯一探测极高能宇宙线的实验装置。
探索105倍人工产生最高能量粒子（FNAL）及其加速机制。
这一研究可以探索宇宙最早期的演化行为，如宇宙的拓朴缺陷（TD），宇宙弦（CS）等GZK截断相关的粒子物理和宇宙学基本问题。
寻找可能是源的剧烈活动天体，如BLLAC、γ暴、AGN、以及次一级剧烈活动的天体如银心G.M.等。
CRTNT实验研究在2006年的进展如下：
CRTNT实验站的选址：
于6月赴甘肃和新疆两省区干旱多山地区踏探和实地考察，选中了位于新疆哈密以北130公里处巴里坤山北麓的优良观测站址（Fig.1）山势陡峭，东西方向绵延数十公里，山顶大部分地区高于4000米，地面高度约1500米。
全年平均降水量少于200毫米。
初步选定的观测站点均位于距巴里坤县城30公里以内的平坦区域，具有良好的交通、通讯、气象记录、水电供应等便利条件。
从各方面比都好于美国NEVADA州的WHEELERPEAK山。
图1位于新疆巴里坤的CRTNT观测站
CRTNT探测器硬件R/D：
望远镜由7个子系统组成。
1.镜体及行走和姿态控制，2.光学透射及反射，3.光电转换及信号采集，4.事例触发及数据获取，5.高低压供电，6.GPS定时，7.在线标定（Fig.2&Fig.3）。
十月以前，各子系统均研制成功，并在高能所实验室内完成了初步测试。
（1）两台样机的组装和光学及控制系统联调：
样机的光学系统由20块六角形球面镜组成，每个单元可自由旋转，用于调整镜子的指向，组装工作难度较大。
调试工作的核心是将20块镜子的曲率中心汇聚到同一位置。
采用激光反射方法，调试的最终结果是在镜子的曲率中心发散程度小于1厘米，这将保证焦平面上的光斑小于一个望远镜像素。
望远镜孔径的开、闭由液压控制的集装箱门的开、合来实现。
整个过程由在线计算机遥控操作。
状态监测通过在线计算机的12位ADC实现。
（2）CRTNT探头的模拟和数字电路以及数据采集全系统联调：
光电转换及信号采集、事例触发及数据获取两个子系统是CRTNT探测器的关键组成部分。
由光电倍增管、模拟电路板、模数转换和第一级触发判选数字电路组成的光电转换模块集成度高，调试难度很大，每个模块包含16个像素。
32个模块单元全部通过了低压测试。
望远镜触发在汇集256路第一级触发信号的触发电路上实现。
第三级触发为事例触发信号，由汇集两台望远镜的二级触发而成，通过数据总线驱动板向每个像素广播，并将每个像素的数据通过总线驱动板读到在线计算机。
（3）在西藏羊八井的安装与试运行：
十月，两台望远镜运抵西藏羊八井，立即展开望远镜安装（Fig.4）。
完成了系统配电、高低压供电、局域网连接和望远镜指向的标定。
十一月，开始望远镜系统联调。
由于地处海拔4300米的高原地带，空气密度仅海平面的60%，电子学器件散热成为一大困难，另一方面，高原特有的干燥空气环境，造成线路板和器件上的静电堆积，引起一系列电源稳压器件的故障，一度拖延了望远镜安装的进度。
采取了电路分流、减小负载和安装系统内部的强排风散热装置等措施之后，基本解决了各路电源的稳定性问题。
成功实现了探测器的在线标定和GPS定时。
初步的试运行过程中，望远镜测到了星体运行的轨迹（Fig.5）。
整个望远镜系统包括各级触发线路工作正常。
初步试运行的一大收获是基本证实了望远镜系统可以在新月或残月月光下正常工作，实现15%的有效观测时间。
软件及物理分析：
（1）CRTNT的τ中微子探测探测效率和背景事例率的模拟研究。
程序中已经加入了所有探测器和电子学的细节。
这项研究还在不断深入，优化中微子事例的识别。
（2）CRTNT用于宇宙线探测的性能Monte-Carlo模拟研究结果已在高能物理与核物理杂志发表。
（3）HiRes实验数据及物理分析取得较大进展，经过数年来细致的事例重建研究，HIRES事例的重建质量大幅提高，现已成为HiRes合作组数据处理的主流程序，中国小组的工作得到HIRES合作组的广泛承认。
完成了HIRES实验最重要的能谱测量论文的写作（Fig.6），以99。
9999%的置信水平，证实了“踝”的存在，同时给出了GZK截断的初步统计证据（5）。
论文正等待HIRES合作组论文审查委员会的批准，将很快会投往美国PRL杂志发表。
挑选簇射发展被完整记录的事例，基本完成了簇射纵向发展特征的研究（Fig.7），结果将在2007年的ICRC报告。
BLLac天体作为宇宙线源的寻找仍在进行。
关于新构建的银河系磁场（GMF）模型和相关找源方法的论文已投往美国Astro.Part.Phys.杂志。
图6.HiRes能谱。
图7HiRes探测到的轮廓。
国内、国际间的合作与交流：
2006年，是国际合作丰收的一年。
除了与HIRES实验传统的协作关系外，我们在四月筹办国际超高能TAU中微子研讨会，来自五个国家和地区的实验和理论家报告了各自的研究进展，促进了同行之间的交流，强化了合作关系，台湾的联合大学和国立交通大学正式加入合作组，开展了包括人员交流在内的实质性合作。
积极参与了第十四届国际甚高能宇宙线研讨会的筹备，并在研讨会上做了包括邀请报告在内的共4个大会报告。
启动了与新疆大学物理学院的合作，在CRTNT实验站寻址、模拟计算等已经取得实效，将进一步加强在巴里坤站背景监测、气象环境研究等方面的合作。
人才培养：
2006年，一名硕士研究生毕业并留所工作。
新增研究生两名，客坐研究生两名，研究生人数共达到6名。
经费到位和使用情况：
基金面上项目支持35万，国际合作5万；高科技中心国际、国内合作交流3万到位。
共约70万元支出，其中包括：
电子学（部分）：
30万元
高压、低压电源：
10万元
人员及其他：
17万元
国际、国内学术交流：
13万元
2．大亚湾反应堆中微子实验
大亚湾反应堆中微子实验项目于2006年分别在中国科学院和国家科学技术部立项，同时也获得国家自然科学基金委的积极支持。
实验项目同时得到了中国广东核电集团有限公司、广东省政府和深圳市政府的资金和其它方面的有力支持。
截至2006年底，共有国内外28个研究所和大学（国内13个研究所和大学，其中两所大学来自于香港，三所大学来自于台湾，美国13个研究所和大学，以及来自于欧洲的研究所和大学），约140名物理学家参加了大亚湾反应堆中微子实验项目。
2005年通过议标的方式，实验项目选定中科院地质与地球物理研究所承担实验区地形测量和地质工程勘查任务。
在中广核下属大亚湾核电运营公司支持和帮助下，从2005年5月至2006年6月份，中科院地质与地球物理研究所通过地形测绘、工程地质调查、综合地球物理勘探、钻探、水文地质实验、声波测井和钻孔电视、地应力测试、室内物理力学实验等手段，完成了勘查任务，并最终形成一份总报告、7份详细的分报告，为隧道工程初步设计提供了所需的地质资料。
经专家组鉴定认为，勘察成果已基本满足工程设计需求，工程建设条件是比较好的，可以进行此项工程。
场地区域的综合工程地质图参见图1。
图1场地区域综合工程地质图
大亚湾反应堆中微子实验经过公开招标于2006年6月确立了工程概念设计单位，选定了国内两个实力较强的设计单位：
铁道部第四勘察设计院和黄河勘测规划设计有限公司同时进行概念设计。
设计内容包括：
1）主要设备选型；2）隧道方案研究；3）隧道设计；4）洞外地面建筑物设计；5）工地照明设计；6）通风空调设计；7）给水排水及消防；8）通信设计；9）监控设计；10）隧道施工爆破控制；11）环境保护；12）工程投资估算。
设计单位根据物理规划要求和地质勘测资料，充分发挥各自的优势，展开独立设计。
（概念和可行性设计工作在7月底完成。
图2为近点实验大厅概念设计图之一。
在可行性设计的基础上，通过公开招标的方式，我们将选择出大亚湾反应堆中微子实验站建设配套工程的设计单位。
图2近点实验大厅概念设计图
物理设计在2006年继续进行，主探测器和反符合探测器的概念设计已经逐步明确。
在经过认真的可行性研究和比较分析后，我们基本选定了游泳池的实验方案。
方案示意图见图3，在实验厅内向下挖掘出一个水池，多个中微子探测器（远端四个，近端各二个）浸泡在水池中间。
图3大亚湾中微子实验远端探测器示意图：
四个中微子探测器置于水池中，上下与四周均被2米以上的水包围以屏蔽本底。
中微子探测器的大小为5米5米，设计成三层同心圆柱结构，如图4。
最里层为掺钆的液体闪烁体（液闪），作为中微子的靶；中间层为不掺钆的液体闪烁体，用来提高能量收集效率；最外层为矿物油，用来屏蔽天然放射性。
各层之间用有机玻璃罐隔开。
正电子与中子在液体闪烁体中产生闪烁光；用来探测闪烁光的光电倍增管放置在最外层的矿物油中。
对中微子探测器的进一步设计在紧张进行中。
图4中微子探测器示意图。
最里层为掺钆的液体闪烁体，中间层为普通液体闪烁体，最外层为矿物油，光电倍增管放置在矿物油中。
各层之间用有机玻璃罐隔开
近点实验厅的水池尺寸为16米10米10米，容纳2个探测器，远点的为16米16米10米，容纳四个探测器。
中微子探测器之间的间隔为1米，探测器距水池的边沿最短距离为2.5米。
反符合探测器包括径迹探测器和水契仑柯夫探测器，以实现高的宇宙线探测效率和比较好的径迹位置测量。
水池顶部的外层宇宙线反符合探测器采用阻性板探测器（RPC），如图5。
水池两侧设有导轨，顶盖可以沿导轨移动以实现中微子探测器模块的起吊。
RPC放置在顶盖上，随顶盖整体移动。
水池四周及底部装有光电倍增管对宇宙线的契仑柯夫光进行测量。
图5反符合探测器系统游泳池方案的顶盖示意图。
左图的顶盖沿导轨打开了一半，露出水池的密封顶部。
RPC探测器的顶盖结构和其它种类的反符合探测器，如加光纤的塑料闪烁体探测器的研究同时在进行当中。
中微子实验中一个重要的问题是掺钆液闪的研究。
掺钆后液闪容易老化，主要是由于含钆的物质析出溶剂造成液闪的透光率下降。
目前高能物理所和美国布鲁克海汶实验室（BNL）、俄罗斯杜布纳联合核子研究所正在进行掺钆液体闪烁体的预研，已取得重大进展。
偏三甲苯（pseudocumene,PC）是最常用的掺钆液体闪烁体的溶剂，但它有两个缺点，一是闪点低（48℃），二是对丙烯酸容器有腐蚀性。
为提高液体闪烁体的闪点并降低对容器的腐蚀，常将偏三甲苯与十二烷或矿物油配合使用。
最近，人们发现生产洗涤剂的原料——直链烷基苯（linearalkylbenzene,LAB）是一种更为理想的液闪溶剂。
LAB具有光产额高、对丙烯酸容器侵蚀小、安全（闪点130℃）和价廉易得的优点。
抚顺石化生产的LAB未经纯化的样品衰减长度在30米以上，可直接用于液闪的配制。
将合成的钆-羧酸配合物用比色法测定含钆量以后，与第一发光物质PPO（5g/L）、第二发光物质bis-MSB（10mg/L）一起溶于液闪溶剂，用孔径为0.22m的滤膜过滤，充氮气后即完成掺钆液体闪烁体的配制。
表1列出了几个液闪样品相对于蒽晶体的发光效率，可以看出，掺钆对于发光效率来说，影响很小。
表1液体闪烁体样品相对于蒽晶体的发光效率
Gd（g/L）
发光物质
配合物
溶剂
相对发光效率
-
PPObis-MSB
-
2:
8偏三甲苯:
十二烷
0.459
-
PPObis-MSB
-
直链烷基苯
0.542
1.5
PPObis-MSB
钆-乙基己酸
2:
8偏三甲苯:
烷基苯
0.538
2.0
PPObis-MSB
钆-乙基己酸
2:
8偏三甲苯:
烷基苯
0.528
1.5
PPObis-MSB
钆-异壬酸
直链烷基苯
0.492
2.0
PPObis-MSB
钆-异壬酸
直链烷基苯
0.478
目前几个液闪样品的度衰减长度在4个月内变化很小。
样品的衰减长度在10米以上。
与探测器的设计和研究同样重要的是探测器的模型研究。
2006年在高能所完成了第一阶段普通液闪的小模型实验，小模型是一个
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