分別調整成分或模型參數(shù)均可擬合試驗結果形成多義性UHECR研究課件

羊八井宇宙線實驗,

解開UHECR成分/模型糾纏的前景譚有恒（中科院高能所）

For高能物理第七屆學術會議September,2006,桂林4300ma.s.l.羊八井宇宙線實驗,解開UHECR譚有恒（中科院高能所1HadronicPhysicsCosmicRayPhysics

加速器較低能(高能)中心區(qū)高流強已知的入射粒子和靶核探測器密集

宇宙線

甚高能,超高能朝前區(qū)低流強入射粒子未知探測器稀疏(羊八井地毯除外)HadronicPhysicsCosmicRayPhy2在宇宙線能區(qū)的強作用基于加速器能區(qū)下述參數(shù)的外推,構造唯象模型:QGSJET,SIBYLL,DPMJET,EPOS…非彈性作用截面

p-p,p-air非彈性系數(shù)次粒子多重數(shù)次粒子的(贗)快度分布能量依賴性加速器能區(qū)UHE宇宙線能區(qū)GAP在宇宙線能區(qū)的強作用基于加速器能區(qū)下述參數(shù)的外推,構造唯象模3分別調整成分或模型參數(shù)均可擬合試驗結果形成多義性UHECR研究課件4P-AirinelasticcrosssectionP-Airinelasticcrosssection5QGSJET-II

QGSJET

SIBYLL2.1QGSJET-IIQGSJETSIBYLL2.16QGSJET-II

QGSJET

SIBYLL2.1QGSJET-IIQGSJETSIBYLL2.17荷電粒子數(shù)快度分布的實驗結果荷電粒子數(shù)快度分布的實驗結果8Productionspectrum(p-14N)BaryonsMesonsFeynman(inLS)Productionspectrum(p-14N)Bar9然后又基于這些模型假定去測UHE作用參數(shù)或原初元素成分,陷入了“成分/模型糾纏”怪圈分別調整成分或模型參數(shù)均可擬合實驗結果形成多義性UHECR研究的老大難然后又基于這些模型假定去測UHE10LongitudinaldevelopmentofASLongitudinaldevelopmentofAS11分別調整成分或模型參數(shù)均可擬合試驗結果形成多義性UHECR研究課件12R.UlrichtalkR.Ulrichtalk13CRcompositionatthekneeCRcompositionattheknee14

Relativefractionsofp,HeandCNOaredependentonmodelBUT–breakinpis~600TeVandinHeat~1200TeVVerydifferentfromtheTibetresult(~100TeV)Relativefractionsofp,Hea15AveragemassS.Ogioetal.Ap.J612(2004)268AveragemassS.Ogioetal.Ap.J16解開C/M糾纏的曙光

LHC

Elab1017eV:

即將實現(xiàn)二能區(qū)的銜接,并擴大對朝前區(qū)粒子的觀測范圍

弄清UHE作用模型指日可待,使CR專注CR成分探索

羊八井地毯式陣列的建成及YSCA的可能實現(xiàn)

高海拔---最佳觀測高度:簇射最大,漲落最小,C/M依賴最小

地毯式---獲取各單個簇射的粒子時空分布的整體和細致圖像可能,若配合以別的探測器,有檢驗UHE作用模型的能力及逐事例區(qū)分原初成分的可能

復合式---多品種、多參數(shù)同時測量解開C/M糾纏的曙光17Knee(~1015eV)Iparticle/(m2year)Proton-(anti)Protoncross-sections–importantformeasuringextensiveairshowerdevelopment(EAS),everyprimaryparticleproducesanEASJamesL.PinfoldIVECHRI20064KneeProton-(anti)Protoncross-18TheATLASapproachistomeasureelasticscatteringdowntosuchsmallt-valuesthatthecrosssectionbecomessensitivetotheEMamp.viatheCoulombinterferenceterm.LHCmeasurementofsTOTexpectedtobeatthe1%level–usefulintheextrapolationuptoHECRenergiesThep-ptotalcross-section10%differenceinmeasurementsofTevatronExpts:JamesL.PinfoldIVECHRI200614(logs)TheATLASapproachistomeasu19RegionsofmostinterestforshowersPseudo-rapidityMultiplicityEnergydistributionFORWARDPHYSICSRegionsofmostinterestfors20ModelsdescribetheTevatronwell-butLHCmodelpredictionsreveallargediscrepanciesinextrapolation.Nodirectcorrelationbetweencentralandforwardproduction.(<100infixedtargetenergy)LHCForwardPhysics&CosmicRaysJamesL.PinfoldIVECHRI200613ET(LHC)E(LHC)ModelsdescribetheTevatronw21ARGO-II及羊八井超級復合陣列計劃地理最佳

近Xmax:Ne大,漲落小,成分/模型依賴弱;可作長的過渡曲線。陣列最細

地毯式:AS粒子時空分布的完整信息+、?信息E0測定準確近逐實例分辨原初成分#無偏選擇

大統(tǒng)計量、高觸發(fā)效率*、不人為選棄事例--------才可獲取準確的流強和元素成分(分成分的能譜)

#*當E0>10TeV時，Ne>1000；>1000TeV時，Ne>106個電子挑戰(zhàn)膝區(qū)物理區(qū)分成分、測準能譜YBJ具有無可爭辯的優(yōu)勢ARGO-II及羊八井超級復合陣列計劃地理最佳近Xmax:22若將ARGO地毯發(fā)展為羊八井超級復合陣列若將ARGO地毯發(fā)展為231Cluster的RPC探測器

全部238個clusters,~10000m21Cluster的CBD

整個CBD共42clusters,~1800m2室內(nèi)子探測器中的一個cluster(一個子探測器含12個RPC)室外子探測器中的一個Block,

(每個含4個Block,~432m2)2m2閃爍探測器,72臺1m2,閃爍探測器,192臺測定AS粒子到達時間錯落(脈沖形狀)的精細閃爍探測器,29臺計劃中的羊八井超級復合陣列1Cluster的RPC探測器計劃中的羊八井24ABCDEF10cm5cm15.3cm11.4cm一個RPC，2.85mX1.25m

A&C:

同時具有數(shù)字讀出和大動態(tài)模擬讀出的RPC(高阻平板室)粒子探測器，用于和電子測量;C也是整個萬平米“地毯”的一部分B:5mmPb板,/e轉換體D:10cmPb板，/e過濾體E:具x和Y數(shù)字讀出的RPC,測子F:地板A型(廳內(nèi))子探測器結構圖頂視圖側視圖電纜空間YSCA廳內(nèi)子探測器結構圖(一個Cluster,四個Cluster

組成一個~170m2的子探測器)A10cm5cm15.3cm11.4cm一個RPC，2.8525ABC10cmPbor30cmFe板第一層流光管粒子探測器第一層流光管粒子探測器4X9盒流光管（每盒8絲8間隔，3cm高X25cmX12m），安裝在4個40呎或8個20呎閑置的集裝箱中X讀出:自陽極絲Y讀出:自感應條側視圖頂視圖9.4m12mB型(野外)子探測器結構圖YSCA野外子探測器結構圖(一個Block,四個Block組成一個~430m2的子探測器)A10cmPbor30cmFe板4X9盒流光管（每26A

Resistive

PlateChamber

多層鋼架(一cluster用一個鋼架,一處子探測器共用4個架子)A,C&E:

一個RPCB:5mmPb板D:10cmPb板F:ARGO廳內(nèi)地板ABCDEF廳內(nèi)子探測器安裝方案(一個Cluster)OutersideInnersideAResistivePlateChamber多層鋼架27野外子探測器安裝方案(一個Block)10cmPb板或30cmFe板作為/e過濾體2層流光管集裝箱總面積110m2土1m1m棚布地平面野外子探測器安裝方案(一個Block)10cmPb板或28MuonsversusChargedparticlesMissingEnergy!!!MuonsversusChargedparticles29在100TeV的三種AS中的

與子的密度比心距R密度比/在100TeV的三種AS中的

與子的密度比心距R密度30簡單的-cut就可實現(xiàn)清楚的-AS/P-AS分辨。既然都相信能量1015eV以下的CR都源自河內(nèi)，那么在YBJ找到UHE源亦即UHE宇宙線源的機會將會很高UHE（50TeV—100PeV）-天文在YBJ簡單的-cut就可實現(xiàn)清楚的-AS/P-AS分辨。既然都31在100TeV的三種AS中的、子密度比心距RLog(/)在100TeV的三種AS中的、子密度比心距RLog(32在100TeV的三種AS中的

電子、子密度比Log(e/)心距R在100TeV的三種AS中的

電子、子密度比Log(33MC第一印象:P/重核分辨一目了然

MC模擬:

200TeV的P(左)和Fe(右)引起的AS在地毯上的粒子數(shù)分布一例MC第一印象:P/重核分辨一目了然

MC模擬:

200T34MainjobsofYSCA(50TeV-100PeV)AlltheresearchitemsplannedbyARGO-I,mainlySub-Tev—10TeV-rayastronomy;Moon-shadowandSun-shadow;UHE(50TeV-10PeV)-raysources

---searchforcosmicraysourcesinourGalaxyUHECRandKneePhysics(50TeV-100PeV)

DirectmeasureallparticlespectraandP-,Fe-spectra;deduceotherelementarygroup’senergyspectra.ApproachtheoriginoftheKnee,themechanismofCRacceleration&propagationCharactersofUHEinteraction

(speciallyinextremeforwardregion);

alsoasbyproducts:someRare/abnormalphenomena

(exoticorstrangeevents)Solarparticle&“SpaceWeather”MainjobsofYSCA(50TeV-100Pe35解開成分/模型糾纏,

研究UHE作用極端朝前區(qū)特性和UHE作用模型檢驗

E1近心事例；SCA測P-AS過度曲線，ASe//?關系。。。大PT(E)

地毯盡顯AS多心結構（70年代Leeds25m2,Norikura54m2火花室地毯）新粒子新現(xiàn)象

hadronbundle,‘Centauro’(無0),需E2測細部，SCA給母AS參數(shù)

遲到的長夀命重粒子需專測AS粒子盤時間結構的設備

UHEStrangelet(小SQM):

特多心、多？結構不像通常AS？不需新增設備

只要特殊就注意ARGO-II及羊八井超級復合陣列計劃解開成分/模型糾纏,

研究UHE作用極端朝前區(qū)特性和UHE作36TibetIII+MUON8,640m2TibetIII+MUON8,640m237讓我們期待基于ARGO地毯的羊八井超級復合陣列（YSCA）

Sub-TeV--VHE-源,

暴，

UHE-源（CR源）,UHE-CR,

‘膝區(qū)物理’,極端朝前區(qū)物理及稀有或反?，F(xiàn)象太陽粒子事件,‘空間天氣’監(jiān)測Tibet-III+Muon

UHE-源，亦即CR源---可能成為YBJ最顯眼的貢獻！讓我們期待基于ARGO地毯的羊八井超級復合陣列（YSCA）38謝謝！謝謝！39~40%Moremuons~40%40ChargedparticleDistributionsPseudorapidityhrelatedtolongitudinalvelocityNeglectingparticlemassRapidityplateaudN/d~constantfor|

|<2BoostinvarianceRadialexpansiondN/dscaleswithNpartIndependentofincidentnucleiTotalchargedmultiplicityincentralAuAucollisionsis4200+/-470hdNch/dhdN/d@200GeV=-6.3=6.3

=0=1=2PHOBOSAu+Au35-40%,Npart=99Cu+CuPreliminary3-6%,Npart=100PHOBOSS.Klein900GeVChargedparticleDistributions41

羊八井宇宙線實驗,

解開UHECR成分/模型糾纏的前景譚有恒（中科院高能所）

For高能物理第七屆學術會議September,2006,桂林4300ma.s.l.羊八井宇宙線實驗,解開UHECR譚有恒（中科院高能所42HadronicPhysicsCosmicRayPhysics

加速器較低能(高能)中心區(qū)高流強已知的入射粒子和靶核探測器密集

宇宙線

甚高能,超高能朝前區(qū)低流強入射粒子未知探測器稀疏(羊八井地毯除外)HadronicPhysicsCosmicRayPhy43在宇宙線能區(qū)的強作用基于加速器能區(qū)下述參數(shù)的外推,構造唯象模型:QGSJET,SIBYLL,DPMJET,EPOS…非彈性作用截面

p-p,p-air非彈性系數(shù)次粒子多重數(shù)次粒子的(贗)快度分布能量依賴性加速器能區(qū)UHE宇宙線能區(qū)GAP在宇宙線能區(qū)的強作用基于加速器能區(qū)下述參數(shù)的外推,構造唯象模44分別調整成分或模型參數(shù)均可擬合試驗結果形成多義性UHECR研究課件45P-AirinelasticcrosssectionP-Airinelasticcrosssection46QGSJET-II

QGSJET

SIBYLL2.1QGSJET-IIQGSJETSIBYLL2.147QGSJET-II

QGSJET

SIBYLL2.1QGSJET-IIQGSJETSIBYLL2.148荷電粒子數(shù)快度分布的實驗結果荷電粒子數(shù)快度分布的實驗結果49Productionspectrum(p-14N)BaryonsMesonsFeynman(inLS)Productionspectrum(p-14N)Bar50然后又基于這些模型假定去測UHE作用參數(shù)或原初元素成分,陷入了“成分/模型糾纏”怪圈分別調整成分或模型參數(shù)均可擬合實驗結果形成多義性UHECR研究的老大難然后又基于這些模型假定去測UHE51LongitudinaldevelopmentofASLongitudinaldevelopmentofAS52分別調整成分或模型參數(shù)均可擬合試驗結果形成多義性UHECR研究課件53R.UlrichtalkR.Ulrichtalk54CRcompositionatthekneeCRcompositionattheknee55

Relativefractionsofp,HeandCNOaredependentonmodelBUT–breakinpis~600TeVandinHeat~1200TeVVerydifferentfromtheTibetresult(~100TeV)Relativefractionsofp,Hea56AveragemassS.Ogioetal.Ap.J612(2004)268AveragemassS.Ogioetal.Ap.J57解開C/M糾纏的曙光

LHC

Elab1017eV:

即將實現(xiàn)二能區(qū)的銜接,并擴大對朝前區(qū)粒子的觀測范圍

弄清UHE作用模型指日可待,使CR專注CR成分探索

羊八井地毯式陣列的建成及YSCA的可能實現(xiàn)

高海拔---最佳觀測高度:簇射最大,漲落最小,C/M依賴最小

地毯式---獲取各單個簇射的粒子時空分布的整體和細致圖像可能,若配合以別的探測器,有檢驗UHE作用模型的能力及逐事例區(qū)分原初成分的可能

復合式---多品種、多參數(shù)同時測量解開C/M糾纏的曙光58Knee(~1015eV)Iparticle/(m2year)Proton-(anti)Protoncross-sections–importantformeasuringextensiveairshowerdevelopment(EAS),everyprimaryparticleproducesanEASJamesL.PinfoldIVECHRI20064KneeProton-(anti)Protoncross-59TheATLASapproachistomeasureelasticscatteringdowntosuchsmallt-valuesthatthecrosssectionbecomessensitivetotheEMamp.viatheCoulombinterferenceterm.LHCmeasurementofsTOTexpectedtobeatthe1%level–usefulintheextrapolationuptoHECRenergiesThep-ptotalcross-section10%differenceinmeasurementsofTevatronExpts:JamesL.PinfoldIVECHRI200614(logs)TheATLASapproachistomeasu60RegionsofmostinterestforshowersPseudo-rapidityMultiplicityEnergydistributionFORWARDPHYSICSRegionsofmostinterestfors61ModelsdescribetheTevatronwell-butLHCmodelpredictionsreveallargediscrepanciesinextrapolation.Nodirectcorrelationbetweencentralandforwardproduction.(<100infixedtargetenergy)LHCForwardPhysics&CosmicRaysJamesL.PinfoldIVECHRI200613ET(LHC)E(LHC)ModelsdescribetheTevatronw62ARGO-II及羊八井超級復合陣列計劃地理最佳

近Xmax:Ne大,漲落小,成分/模型依賴弱;可作長的過渡曲線。陣列最細

地毯式:AS粒子時空分布的完整信息+、?信息E0測定準確近逐實例分辨原初成分#無偏選擇

大統(tǒng)計量、高觸發(fā)效率*、不人為選棄事例--------才可獲取準確的流強和元素成分(分成分的能譜)

#*當E0>10TeV時，Ne>1000；>1000TeV時，Ne>106個電子挑戰(zhàn)膝區(qū)物理區(qū)分成分、測準能譜YBJ具有無可爭辯的優(yōu)勢ARGO-II及羊八井超級復合陣列計劃地理最佳近Xmax:63若將ARGO地毯發(fā)展為羊八井超級復合陣列若將ARGO地毯發(fā)展為641Cluster的RPC探測器

全部238個clusters,~10000m21Cluster的CBD

整個CBD共42clusters,~1800m2室內(nèi)子探測器中的一個cluster(一個子探測器含12個RPC)室外子探測器中的一個Block,

(每個含4個Block,~432m2)2m2閃爍探測器,72臺1m2,閃爍探測器,192臺測定AS粒子到達時間錯落(脈沖形狀)的精細閃爍探測器,29臺計劃中的羊八井超級復合陣列1Cluster的RPC探測器計劃中的羊八井65ABCDEF10cm5cm15.3cm11.4cm一個RPC，2.85mX1.25m

A&C:

同時具有數(shù)字讀出和大動態(tài)模擬讀出的RPC(高阻平板室)粒子探測器，用于和電子測量;C也是整個萬平米“地毯”的一部分B:5mmPb板,/e轉換體D:10cmPb板，/e過濾體E:具x和Y數(shù)字讀出的RPC,測子F:地板A型(廳內(nèi))子探測器結構圖頂視圖側視圖電纜空間YSCA廳內(nèi)子探測器結構圖(一個Cluster,四個Cluster

組成一個~170m2的子探測器)A10cm5cm15.3cm11.4cm一個RPC，2.8566ABC10cmPbor30cmFe板第一層流光管粒子探測器第一層流光管粒子探測器4X9盒流光管（每盒8絲8間隔，3cm高X25cmX12m），安裝在4個40呎或8個20呎閑置的集裝箱中X讀出:自陽極絲Y讀出:自感應條側視圖頂視圖9.4m12mB型(野外)子探測器結構圖YSCA野外子探測器結構圖(一個Block,四個Block組成一個~430m2的子探測器)A10cmPbor30cmFe板4X9盒流光管（每67A

Resistive

PlateChamber

多層鋼架(一cluster用一個鋼架,一處子探測器共用4個架子)A,C&E:

一個RPCB:5mmPb板D:10cmPb板F:ARGO廳內(nèi)地板ABCDEF廳內(nèi)子探測器安裝方案(一個Cluster)OutersideInnersideAResistivePlateChamber多層鋼架68野外子探測器安裝方案(一個Block)10cmPb板或30cmFe板作為/e過濾體2層流光管集裝箱總面積110m2土1m1m棚布地平面野外子探測器安裝方案(一個Block)10cmPb板或69MuonsversusChargedparticlesMissingEnergy!!!MuonsversusChargedparticles70在100TeV的三種AS中的

與子的密度比心距R密度比/在100TeV的三種AS中的

與子的密度比心距R密度71簡單的-cut就可實現(xiàn)清楚的-AS/P-AS分辨。既然都相信能量1015eV以下的CR都源自河內(nèi)，那么在YBJ找到UHE源亦即UHE宇宙線源的機會將會很高UHE（50TeV—100PeV）-天文在YBJ簡單的-cut就可實現(xiàn)清楚的-AS/P-AS分辨。既然都72在100TeV的三種AS中的、子密度比心距RLog(/)在100TeV的三種AS中的、子密度比心距RLog(73在100TeV的三種AS中的

電子、子密度比Log(e/)心距R在100TeV的三種AS中的

電子、子密度比Log(74MC第一印象:P/重核分辨一目了然

MC模擬:

200TeV的P(左)和Fe(右)引起的AS在地毯上的粒子數(shù)分布一例MC第一印象:P/重核分辨一目了然

MC模擬:

200T75MainjobsofYSCA(50TeV-100PeV)AlltheresearchitemsplannedbyARGO-I,mainlySub-Tev—10TeV-rayastronomy;Moon-shadowandSun-shadow;UHE(50TeV-10PeV)-raysources

---searchforcosmicraysourcesinourGalaxyUHECRandKneePhysics(50TeV-100PeV)

DirectmeasureallparticlespectraandP-,Fe-spectra;deduceotherelementarygroup’senergyspectra.ApproachtheoriginoftheKn