（粒子物理与原子核物理专业论文）羊八井argo实验的原初粒子分辨.pdf

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1 0 0 t w ) ，观测站的地理位景优越( 大气深 度6 0 6 9 e r a 2 ，海拔高度4 3 0 0 m ) ，所以a r g o 实验可以对来自大范围的天体的宇 宙线粒子进行低阈能、高触发率、高精度的探测。与其它的地面实验相同，a r g o 实验也是通过测量初级宇宙线粒子在空气中的簇射过程来确定原初粒子方向及 其它的信息的。由于阵列的高覆盖率，可以对簇射中所产生的次级粒子的到达时 间和横向分布进行较为细致的测量。这些信息可用于研究由不同的原初粒子所引 起的簇射的差异，从而使对原初粒子的分辨成为可能。本文的目的是针对a r g o 实验阵列的特点，利用m o n t ec a r l o 模拟数据寻找可有效地区分强子簇射的方 法。 在本工作中，首先利用m o n t ec a r l o 模拟程序细致地模拟了由原初y 和强子 山东大学博士毕业论文：羊八井a r g o 实验的原韧粒子分辨 ( 质子，h e 核，c n o 核，h 核，v h 核，f e 核) 引起的广延大气簇射过程以及 e a s 粒子在a r g o 探测器中的传输过程和探测器的响应，得到了具有足够统计 量的m o n t ec a r l o 模拟事例。利用这些模拟数据分析了由原初y 和强子引起的簇 射中的次级粒子的横向分布特征，得到了次级粒子横向分布涨落、平均横向分布、 平均最小树长度和簇射前沿形状因子等几个可以描述两莉簇射的次级粒子分布 的差异的特征量。将这些特征量作为人工神经网络的输入量，构造了可以对原初 y 射线成分作出识别的神经网络，并对网络进行了训练，检验结果表明：在 1 0 0 g e v - 1 0 t e v 能区，该网络分辨效果最好的事例组对丫事例的判选率为8 0 1 ， 强子事例的筛选率为7 2 6 ，品质因子为1 5 3 ；在1 0 t e v - 1 0 0 t e v 能区，在天顶 角范围为o 。- 1 5 。的事例中，该网络对 r 事例的判选率为8 6 4 ，强子事例的筛选 率为8 5 9 ，品质因子可以达到2 3 0 。 同时，还使用了在契仑科夫望远镜实验中得到很好的应用效果的多尺度分析 方法，对在探测平面上的簇射次级粒子的分布进行多重分形分析和小波变换分 析，得到了两个特征量：多重分形矩指数和小波变换矩指数。取它们在q = 4 ，6 ， 8 时的值作为人工神经网络的输入值，得到了可以对原初y 射线成分作出分辨的 神经网络。检验结果表明，在1 0 0 g e v - 1 0 t e v 能区，网络分辨效果最好的事例组 对丫事例的判选率为6 4 2 ，强子事例的筛选率为8 7 1 。品质因子达到1 4 9 ； 在1 0 t e v - 1 0 0 t e v 能区，在天顶角范围为0 0 1 5 。的事例中，网络对_ r 事例的判选 率为7 7 5 ，强子事例的筛选率为9 0 2 ，品质因子可达到2 4 7 。 综上所述，这两种方法能够对包括斜入射的事例在内的的广延大气簇射事例 做出分辨，从而达到降低强子本底，提高信噪比的目的。在对它们进行了比较之 后发现，在较低能区，使用简单的横向分布特征量所得的分辨结果较好，而在较 高能区，多重分形矩指数和小波变换矩指数能够较好体现簇射次级粒子的分布的 特征，从而作出更好的分辨。 关键词：原初粒子分辨，横向分布特征，多尺度分析，人工神经网络，m o n t ec a r l o 模拟 山东大学 彝士学位论文：羊八井a r g o 实验的原初粒子分辨 a b s t r a c t t h eo r i g i no ft h ec o s m i cr a y si st h eb a s i ct o p i co fc o s m i cr a yp h y s i c sa n d l l i g h e n e r g ya s t r o p h y s i c s i nt h ep r i m a r yc o s m i cr a y s t h ef l u xo f t h e7 - m yi sv e r yl o w ( 3 0 p e v 高能y 射线是在源区被加速的高能带电粒子与其周围的介质发生作用的次级 产物，它可以通过以下过程产生： 1 高能的质子与其周围介质的原子核产生相互作用而产生新的次级粒子，这些 次级粒子中的7 c o 介子衰变产生两个t 光子： 2 高能的电子在其周围的介质中发生轫致辐射过程发射出一个t 光子： 3 高能的电子与其附近的y 光子发生逆康普敦( c o m p t o n ) 散射过程，t 光子在该过 程中获得能量成为高能y 射线： 4 高能电子在局域磁场中通过同步辐射过程发射出y 光予。 理论研究表明，上述过程中产生的y 光子的能谱与产生它们的带电粒子的能 谱密切相关，其流强取决于带电粒子的密度、周围介质的密度等。 在实验上搜寻可发射甚高能t 射线的点源并精确测量所发射的r 射线的性质 就可对有关宇宙线的起源和加速机制的理论模型提供有力的实验验证。 丫射线天文学的另一个重要的目标是7 射线暴的寻找。y 射线暴是一种暂态的、 强烈的7 发射。到目前为止，关于t 暴的起源和产生机制仍存在很大的分歧。一种 观点认为y 暴来源于银河系的扩展银晕( e m e n d e dg a l a c t i ch a l o ) 1 3 1 4 1 川们，它的 产生联系着中子星表面小的爆发现象：另一种观点认为y 暴来源于宇宙学的距离， 它产生于宇宙中的灾变现象( c a t a s t r o p h i ce v e n t s ) ，例如中子星的碰撞等1 7 】。两 第一搴引葺 山东大学博士学位论文：羊八井a r g o 实验的原初粒子分辨 种观点还就此进行了广泛的辩论，没有得出具体的结论哆1 1 9 1 。 1 2 射线天文学实验技术 实验上观测到的宇宙线粒子的能量从1 0 5 e v - 1 0 2 0 e v 跨越十几个量级，其流强 按能量的负幂律变化( 其积分幂指数约为之左右) ，随着能量的升高，t 射线的 流强下降很快。因而对不同能区的y 射线的观测采用不同的实验手段( 如图1 1 所示f 1 0 1 l l 旷l 矿l 旷l o l o 1 0 协1 0 n1 0 3 21 0 3 a1 0 h1 0 ”1 0 坫1 0 ”1 0 3 s1 0 1 l 矿。 e ( e v ) y a n g b a ji n g ： t i b e ti ia r r a y 图1 1 不同能区观测研究宇宙线所使用的实验技术 对于m e v 到g e v 能区的y 射线，由于其流强较强，因而可以采用人造卫星 或高空气球搭我的探浸4 器【i i j 【1 2 l i l 3 l 对其进行直接测量，以减少或避开大气层对它 们的吸收。对于能量大于3 0 g e v 以上能区的t 射线，由于其流强较低，而星载探 测器受到卫星载荷的限制，面积不能做得太大，因而难以达到有统计意义的事例 量。所以对其一般采用建在地面上的大口径契仑科夫( c h e r e n k o v ) 望远镜或空 气簇射阵列进行间接观测。当高能宇宙线进入大气层时，与大气中的原子核发生 作用，形成电磁级联和强子级联，在级联过程中会产生成千上万甚至数以百万计 的次级粒子，这些粒子中通常包含强子、电子、t 光子和斗子等成分，并广泛地分 布在数平方公里的地面上这就是通常所说的广延大气簇射事件。对高能y 射线 的观测正是通过观测其在大气中引起的广延大气簇射来实现的。 第一覃引官 山东大学博士学位论文：羊八井a r g o 实验的原初粒子分辨 1 2 i 卫星实验 卫星实验是利用搭载在人造卫星上的探测器在大气层以外的空间对y 射线进 行直接的测量。这类实验通过测量y 射线在探测器介质中所产生的e + e - 电子对来 重建入射y 射线的信息，其探测器主要是由带电粒子径迹探测器和全吸收电磁量 能器组成。当7 射线入射到探测器后会与探测器中的介质产生相互作用而转化为 e + e 电子对，径迹探测器可以精确地测量e + e - 电子对的径迹，从而确定y 射线的入 射方向，t 射线的能量则由量能器所测量的e + e f 电子对的能量给出。带电的宇宙 线本底可通过位于探测器外层的反符合计数器来排除。 1 9 7 0 年代的s a s 2 1 1 4 l 和c o s b f l5 】【6 1 卫星利用高灵敏的火花室探测器首次 给出了详尽的7 射线天图( s k ym a p ) ，并观测到了包括c r a b 、v e l a 及活动星系核 3 c 2 7 3 在内的2 5 个y 射线源。1 9 9 1 年，美国航天局的c g r o ( c o m p t o n g a m m a r a y o b e r s e r v a t o r y ) 卫星发射升空后，在高能7 天文学领域又取得了一个又一个的成 功。c g r o 是一个多波段沃文观测卫星，它共搭载了四套不同的观测设备进行 实科1 7 l i s 】f 1 9 l 2 0 i 【2 1 l 删瞄钔，它们分别是：b a t s e 、e g r e t 、c o m p t e l 和 o s s e ，其中，b a t s e 探测爨主要用于监测全天的y 暴和暂态发射，e g r e t 探测 器主要用于高能y 射线的探测。 e g r e 2 4 1 2 5 1 是通过在火花室中的e + e 一对产生效应来探测高能y 射线的，探测 器的工作能区为2 0 m e v - 3 0 g e v ，高能y 射线的能量通过n a i 晶体构成的量能器测 量，能量分辨率为9 - 1 2 。整个探测器的有效面积对i g e v 光子约为0 1 2 m 2 左右， 立体接收度约为o 1 5 n - s r 。探测器的角分辨率对于1 0 0 m e v 、i g e v 和1 0 g e v 的 事例分别为3 5 0 、0 8 。和0 3 5 0 。 b a t s e 是c g r o 的全天空监视器，其主要任务是全方位搜寻暂态的y 射线暴 ( g a m m a - r a yb u r s t , 简称g r b ) 。它由8 个独立豹部分组成位于卫星的各个角 上。每部分由一个大面积的n a i 晶体探测器和一个谱探溅器( s p e c t r o s c o p y d e t e c t o r ) 以及相应的电子学系统。探测器收集光子的能量范围为2 5 k e v - - 2 m e v ， 晟大接收度为1 5 ，0 0 0 c m 2 s r ，角分辨率约为几度。 卫星实验的优点是可对y 射线进行直接的测量，且具有较好的角分辨( l o ) 和能量分辨( 一1 5 ) ，缺点是：受人造卫星载荷的限制，探测器的面积不能过大 ( l m 2 ) 。因此，目前的卫星实验只能对高能能区( h e ) 的y 射线进行有效的观 第一章引言 山东大学博士学位论文：羊八井a r g o 实验的原韧粒子分辨 测。下一代的卫星实验g l a s t l 2 6 1 将把对y 射线的有效观测能区提高到 3 0 0 g e v 。 1 2 2 地面丫天文学实验 由于甚高能及其以上能区的丫射线的流强很低，对其观测需要规模很大的探 测器，因而只能以大气为探测介质，在地面上利用大接收度的探测器对t 射线在大 气中诱发的广延大气簇射进行观测，间接地推断它们的到达方向、能量等信息。 e t 前，地面y 天文实验常用的观测设备主要有大气契仑科夫( c h e r c n k o v ) 望远镜 和空气簇射阵列。 大气c h e r e n k o v 望远镜实验 当广延大气簇射中的粒子速度大于光在空气中的传播速度时，就会产生 c h e r e n k o v 光发射睇7 1 。c h e r e n k o v 光的发射方向沿着簇射粒子的运动方向。发射 角很小( 在海平面约为1 3 6 0 ) ，从而保留了簇射的方向信息。绝大部分c h e r e m k o v 光子是在簇射极大时产生的，到达地面后在几百米的范围内均匀分布，它们的密 度包含着簇射的能置信息。 大气c h e r e n k o v 望远镜正是通过探测簇射粒子在空气中产生的c h e m n k o v 光 子柬来观测y e a s 的。该类实验的探测器利用抛物面型或球面型反射镜将 c h e m n k o v 光子汇聚到位于反射镜的焦平面处的光电倍增管( p m _ r ) 阵列上，光 电倍增管阵列将光线收集下来并转换为电信号加以测量，得到广延大气簇射的图 像，利用该图像可重建入射粒子的能量、方向和种类等信息。表1 2 列出了世界 上几个著名的大气c h e r e n k o v 望远镜实验以及它们的望远镜性能参数。 大气c h e r e n k o v 望远镜实验的有效观测能区高于2 0 0 3 0 0 0 e v ，其探测器具 有非常好的角分辨率( 0 1 0 - 0 1 5 。) 和较好的能量分辨率( 一2 0 - 4 0 ) ，且对7 簇 射和强子簇射拥有良好的分辨能力，它能排除9 9 7 的强子背景同时保留5 0 的 y 信号。其主要缺点是：为了避免星光、月光等背景光的影响，望远镜不能做到 全天候观测，只能工作在无月、空气能见度高的晴朗夜晚，观测条件比较苛刻。 因而有效观测时间短( 一1 0 ) 。此外，望远镜视场狭窄，每次只能对一个选定天 体进行跟踪观测，无法进行全天区扫描。 第一章引言 山东大学博士学位论文：羊八并a r g o 实验的原初粒子分辨 表1 2 国际上著名的a c t ? y 、文观测站 站名w h i p p l es h a l o nc a tc a n g a r o oh e g f 己a 站址 美匿饿罗斯 法强 澳大利亚德蕾 h o p k i n s t i e ns h a h p y r e e n e s w o o m e r a l a p a l m a 实验组美英台作饿穸撅冶作法国培作 日澳合作德国合作 纬度3 2 。n4 2 仃卜i4 2 吓j 3 l 。s2 9 。n 经度1 1 l o w7 5 。e2 。w 1 3 7 0 e1 8 。w 海拔高度 2 3 0 03 3 3 8 一j 6 5 01 6 0 2 2 4 0 、 闽能( t e v ) o 3 50 80 2 1 0 0 5 ( 1 5 ) 反射镜( 个数 2 厂7 02 ，1 l l ，7 7i 1 1 3 5 8 5 ，面积( m 2 ) ) 0 5 o ) 相机( 像素，1 5 0 ，0 2 5 0 1 4 4 0 6 。 5 4 6 r 6 0 0 ) 0 1 2 92 5 6 0 1 8 02 7 i 0 2 5 0 分辨率) ( 1 2 7 0 2 5 0 ) 观测角r8 。 3 1 。f 4 8 0 ) 3 。 4 ，3 0 空气簇射阵列实验 空气簇射阵列就是将众多的粒子探测器( 例如闪烁体探测器等) 排列成彼此 间隔一定距离的阵列，用于对e a s 粒子的空间、时间分布作多点采样观测，从 而获得引起簇射的原初粒子的相关信息的实验装置。表1 3 列出了国际上几个主 要的空气簇射阵列实验以及它们的性能参数。 空气簇射阵列的优点是视场大( 一2 5 s r ) ，可同时对多个点源进行观测；受外 界影响小，可长期连续地进行工作，其有效时间可达9 0 以上。其缺点是探；9 i 4 阈 能商、对强子分辨能力差( 只有少数阵列可以通过阵列中的“子探测器或强子 量能器来做些判选) 。为了克服这些缺点，新一代的地顽e a s 阵列( m i l a g r o 2 8 】 实验和中意合作羊八井a r g o 实验) 采用了全覆盖的方式。由于全覆盖式阵列 的取样比达到了9 0 以上，使得探测器的闽能降到了可与大气c h e r e n k o v 望远镜 实验相比拟的能区，同时，由于可对e a s 粒子的空间和时间分布作较精细的测 量，使得对r 强予的分辨成为可能。 1 4 第一章引亩 山东大学博士学位论文t 羊八井a r g o 实验的原初幸盘子分辨 表1 3 国际上著名的e a s 阵列y 天文观测站 阵列名称c a s a 曲d a羊八共凡s yh e g r a e a s 1 0 pc y g n u s 站址 美国 中国德国意大利美国 u t a b西藏l a p a l m a g r a ns a s s ol o sa l a m o s 纬度4 0 5 0 n3 0 1 。n2 8 8 啊 4 2 5 0 n 3 5 8 。n 经度 1 1 2 3 0 w9 0 5 。e1 8 0 。w1 3 5 。e1 0 6 2 。w 海拔高度1 4 5 0 m 4 3 0 0 m2 2 4 0 m2 0 0 52 1 3 4 m 大气深度 8 6 0 9 c m 6 0 6 9 ，c c7 9 0 9 c m z8 0 0 掣e r d8 0 0 # c r a 2 闪烁探测器面积1 0 8 9 1 5 m 22 9 8 x 0 5 2 4 3 x l m 23 5 1 0 m 22 0 4 x 0 8 5 m 覆盖地面( m 2 ) 2 3 1 0 43 7 x i o 4 l o l o x l 0 48 6 x 1 0 4 阈能 7 0 t 色v 7 0 ) t e v 1 5 t e v3 0 t b v 5 0 t e v 角分辨o 1 5 。一l oo 8 7 口0 5 。 0 7 。 事例率3 0 h z2 6 0 h z1 2 h z2 0 h z3 5 h z m i l a g r o ( l o sa l a m o s ，2 6 5 0m a s 1 ) 实验采用水c h e r e n k o v 探测技术，其探 测阈能为4 0 0 g e v 。该实验的探测器是一个装满5 0 0 0 m ，纯水的密封水池，在水 池中分两层安装了7 2 3 只光电倍增管上层光电倍增管用于测量e a s 粒子在水 中所发出c h e r e n k o v 光以确定e a s 粒子的到达时问和密度，下层的光电倍增管 用于测量子以排除本底。该实验已建成运行，并观测到了来自c r a b n e b u l a 的 y 信号。 中意合作的a r g o 实验计划在羊八井建造一个面积为1 0 0 0 0 m 2 世界上唯一 的r p c “地毯式”阵列，进行粒子天体物理的研究【2 9 1 3 0 l 。该实验的突出特点是 覆盖率高达9 0 以上，闻能低( 1 0 0 g e v ) ，观测能区宽( 1 0 0 g e v - 1 0 0 t e v ) ，可 以对e a s 粒子的空间、时间分布做空前精细的测量。该实验的详细情况将在下 一章中介绍。 1 3 茯文学实验的主要研究成果 e g r e t 实验在3 0 m e v - 3 0 g e v 能区以高显著性发现了2 5 0 多个y 源【3 ”，其 中5 个为脉冲星( p u l s a r s ，p s r ) ，1 个太阳耀斑( s o l mf l a r e ) 9 3 个耀类星体 蕈一荤引奢1 5 山东大学博士学位论文：羊八井a r g o 实验的原初粒子分辨 ( b l a z a r ) ，一个射电星系( r a d i og a l a x y , c e na ) ，一个大麦哲伦云( l a r g e m a g e l l a n i cc l o u d ，l m c ) ，另外还有1 7 0 个尚未找到对应的天体。这些t 源在银 河坐粽系中的分布如图1 2 所示。 图1 _ 2 e g r e t 观测到的t 源在银河坐标系中的分布 在甚高能段大气c h e r e n k o v 实验在高能y 射线探铡方面取得了很大的成功， 相继发现了多个甚高能y 射线源，空气簇射阵列实验在将阈能降到t e v 后也观测 到了t c v 的谢线源。到目前为止，共观测到了1 4 个能量在2 0 0 g e v 以上的点源， 其中，3 个为中心充满型超新星遗迹( p l e r i o n ) 、3 个为壳型超新星遗迹、6 个为 活动星系核、1 个为“s t a r b u r s t 星系，1 个为未知源。这些甚高能y 射线源在银河 坐标系中的分布如图1 3 所示。 实验观测到的甚高能y 源的数目远少于e g r e t 实验所找到的较低能量区的 y 源的数目，这说明对于甚高能能区t 天文的了解还远远不够，只探测到了其中 最亮的点源。随着观测技术的不断改进，探测的灵敏度将不断地提高，预计将会 由更多的甚高能t 点源被发现。 第一攀 l 軎 山东大学博士学位论文：羊八井a r g o 实验的原初粒子分辨 v i l eg a m m a - r a ys o u r c e s ? 乏氅圣鳓f 墨藤j 乞厂饵| 、j c 。、m 掣i 0 乞 3 1 1 。暑七钟 f千_ 。岁 鼍遄 i t 矽 么丕誊多 圈1 3 观测能量在v h e 能区的t 点源在银河坐标系中的分布 1 4 大气簇射阵列实验中的原初宇宙线成分的区分 宇宙线的起源问题是宇宙线物理和高能天体物理的基本问题。通过测量来自 于确定天体方向的宇宙线的特征可为该问题的解决提供实验上的依据。带电粒子 或原子核在传输过程中会由于空间磁场的影响而发生偏转，而t 光子的方向不受 空间磁场的影响，能直接给出产生源的相关信息，因此t 射线在宇宙线研究中具 有非常重要的地位。但是y 射线的流强在宇宙线总流强中所占的比例很小( 在能 量 i t e v 能区y 光子的比例小于l ) ，并且k i v 能级的7 射线在空阃中传播对， 其流强会由于受到红外背景的吸收而衰减。因此，如何有效地排除宇宙线中的强 子成分，降低本底，提高y 射线观测的信噪比，是宇宙线实验研究中的重要课题。 在广延大气簇射地面观测装置中，目前在丫，强予的区分上技术比较成熟的是 大气契仑科夫成像望远镜。由于y 光子产生的纯电磁级联簇射和强子产生的混合 级联簇射的发展过程有比较明显的区别，因而他们所产生的契仑科夫光的分布情 况也有明显的差别。簇射所产生的契仑科夫光被契仑科夫望远镜的反射镜汇聚到 焦面上时，这种光的分布上的差别会导致在焦面上形成不同的图像，只要在契仑 科夫望远镜的焦面处放置一组光电倍增管作为像素阵列，这些像素阵列就可以测 第簟引寓 山东大学博士学位论文：羊八井a r g o 实验的原初粒子分辨 出契仑科夫光在契仑科夫望远镜焦面上的成像利用1 r 光子簇射和强子簇射的契 仑科夫光成像的不同特征，即可识别出该簇射是t 光子簇射或者强子簇射。为了 更好的定量分辨簇射的原初粒子，h i l l a s 提出了一种对契仑科夫成像进行椭圆拟 合的参数化的方法d 2 1 ，使用这种h i l l a s 参数可以非常有效地区分由y 光子和强子 引起的簇射。这种方法已经成为一种标准的方法而被各个a c t 实验组普遍采用。 最早的契仑科夫成像望远镜是由美国w h i p p l e 天文台于1 9 8 3 年完成的，后来又 经过不断的升级和改进。w h i p p l e 组利用契仑科夫望远镜成像技术并结合人工神 经网络方法可以排除掉9 9 3 宇宙线强子本底的干扰，同时仍然可以保留6 0 5 以上的t 信号田】，具有非常高的信噪比和灵敏度，可以大大提高t 天文观测的效 果。副1 9 9 1 年对c r a b n e b u l a 的观铡积累的统计显著性达到3 4 a 1 3 q ，确定了它是 甚高能t 源标准烛光的地位。目前成像技术已经成为契仑科夫望远镜的一种成熟 的标准技术。各种新建的契仑科夫望远镜几乎都采用了成像技术来排除强子簇 射，提高仪器的性能，并相继发现了1 0 多个r v 能区r 点源。 与大气契仑科夫成像望远镜相比，e a s 阵列若要有效地区分由r 光子和强子 引起的簇射就复杂的多，而且目前区分效率也达不到契仑科夫望远镜的水平。强 子引起的广延大气簇射相比较于由y 光子引起的簇射丽言，最大的区别是强子引 起的簇射含有大量的“子，而7 光子引起的纯电磁级联簇射中p 子的含量则极少， 对于同样能星的原初t 光予和强子。强子引起的簇射过程中产生的肛子至少要比 y 光子引起的簇射过程产生的斗子多两个数量级瞄卯。这是因为由强子引起的簇射 过程中有多次强相互作用，强相互作用产生大量的荷电兀介子会衰变成“子 ( _ 7 r + 专卢+ + d 。石一_ 2 一+ 瓦) ， 此外k 介子也会衰变成肛子 ( k + 呻+ + u 。k 一- - 9 2 一+ 巧。) ，而纯电磁级联簇射过程只能通过t 的“子对 产生过程产生p 子( ，+ ，_ p + + 2 ) ，这种过程的几率要比荷电兀介子和k 介 子衰变为似子的几率要低的多。因此 i 子分量的多少是强子引起的簇射和7 光子 弓l 起的簇射的最大区剐。所以测量大气簇射产物中的斗子成分的比例是广延大气 簇射阵列区分由y 光子引起的簇射和由强子引起的簇射的比较有效的方法。但是 一般由单一种类的探测器组成的简单阵列无法探测簇射的耻子成分，为此，需要 在阵列中另外设鼹一些肛子探测器，利用p 子探测器的探测结果结合阵列的观测 第一章 l 言 山东大学博士学位论文t 羊八井a r g o 实验的原初粒子分辨 数据就能将由y 光子引起的簇射和由强子引起的簇射区分开来。几年前，人们还 期望能够利用超高能簇射中的“子成分来做区分，但后来c y g n u s ，c a s a m i a 和h e g r a 等复合阵列的结果表明，利用单一的l z - c u t 对于有效地压低宇宙线强 子背景提高信噪比效果不明显。另外，还可以利用由强子引起的簇射产物中有强 子成分，而由y 光子引起的簇射则没有强子成分的特点，在阵列中设置部分强子 探测器也能够区分由t 光子引起的簇射和由强子引起的簇射。这两种办法都要在 阵列中增加新型的探测器，比较复杂，而且其投资也较大。 1 5 本文的主要内容 提高阵列灵敏度的理想途径是有效区分由1 r 和强子引起的簇射，以大幅度地 压低强子本底提高信噪比。根据由强子和t 引起的簇射产生的次级粒子的空间 分布上的特点在一定程度上可以区分出这两种簇射1 3 6 1 i r q l 3 s l 。这一方面要求探 测器阵列能够对大气簇射的级联过程进行较精细的测量另一方面要求在数据分 析过程中利用一种能够准确区分由强子和t 引起的簇射的方法。羊八井a r g o 实验具有很高的覆盖率，能够较精细的测量在观测平面处的由大气簇射产生的次 级粒子的空间和时间分布这些信息可用于研究由不同的原初粒子所产生的簇射 的差异，使得对原初宇宙线粒子的分辨成为可能。本文的主要目的是针对a r g o 探测器的特点，利用m o n t ec a r l o 模拟数据探索区分t 和强子的有效方法。 本论文共分七章。第二章介绍了羊八井a r g o 实验及其探测器r p c 的结构 和工作原理：第三章介绍了在本工作中使用的m o n t ec a r l o 模拟；第四章介绍了 利用由t 和强子引起的广延大气簇射( e a s ) 产生的次级粒子的横向分布特征来分 辨原初y 射线成分的方法：第五章介绍了人工神经网络分析在分辨原初宇宙线粒 子上的应用 第六章介绍了多尺度分析方法在分辨原初t 射线成分上的应用；最 后一章对a r g o 实验的w 强子的区分作出总结，并提出了需要进一步开展的工 作耳标。 第一章弓f 富1 9 山东大学博士学位论文：羊八井a r g o 实验的原初粒子分辨 第二章羊八井a r g o 实验 中意合作a r g o ( a s t r o p a r t i c l er a d i a t i o nw i t hag r o u n d b a s e do b s e r v a t o r y ) 实 验是一个采用全覆盖探测技术的地面空气簇射阵列实验。该实验的阵列可以对北 天赤纬在1 0 0 6 7 0 。范围内的天区进行全天候持续不断的扫描，以搜寻位于 该天区内的y 点源、捕捉瞬态突发事件( 如太阳质子事件，宇宙丫暴) 等。 与传统的地面空气簇射阵列相比，a r g o 实验阵列具有以下的特点： 1 )探测阈能低：a r g o 实验的探测器阵列所处的海拔高度位于较低能量 的空气簇射的发展极大处：采用全覆盖技术使得a r g o 探测器阵列对 带电簇射粒子的取样比达到了9 0 。高海拔和全覆盖技术使得a r g o 阵列具有探测小空气簇射的能力，使其探测阚能可达到1 0 0 g - e v ，其 探测能区已经可以与卫星实验相衔接，并且覆盖了卫星实验和地面 c h e r e n k o v 望远镜实验之间的能区空白； 2 ) a r g o 探测器阵列可较精细地测量到达探测器平面的空气簇射粒子的 时空分布，这些信息可以用来区分由原初t 和强子引起的簇射。 这些独特的优点使得羊八井a r 0 9 实验成为非常理想的地面t 天文观测站。 利用该阵列可对许多宇宙线物理和天体粒子物理的基本问题进行研究，例如： 进行v i l e 能区的t 天文学研究，探测阙能可达i o o g e v ： 研究能量为1 0 g e v 以上的y 暴( g a m m ar a yb u r s t ，g r b ) 物理： 对太阳和日光层物理进行研究； 测量t e v 能区的质子- 反质子比； 测量原初宇宙线质子谱； 大气簇射结构的详细研究( 例如，次级粒子分布中的子结构的时间和空问 分布) 。 本章将简要地介绍a r g o 实验的探测技术及数据分析过程。 2 1 羊八井a r g o 探测器阵列 正在建设中的羊八井a r g o 实验阵列位于西藏羊八并国际宇宙线观测站( 东 第二章苹八井a r g o 实验 山东大学博士学位论文：羊八井a r g o 实验的原韧粒子分辨 经9 0 5 0 ，北纬3 0 1 。，海拔高度4 3 0 0 m ，大气深度6 0 6 9 c m z ) 内，阵列采用了全 覆盖技术，是由层阻性板计数器( r e s i s t i v ep l a t ec h a m b e r ，r p c ) 构成的，分 为中央区域和保护圈( g u a r dr i n g ) ，如图2 1 所示。中央的7 8 x 7 4 m 2 的阵列区域 使用了1 5 6 0 个r p c 计数器进行连续铺设，外层的保护环由2 8 8 个的r p c 计数 器构成，使簇射芯位位子中央阵列之外的事例也能够被记录下来。整个阵列被安 装在一个1 0 0 0 0 m 2 的实验大厅内。 图2 1 羊八井a r g o 阵列顶视图 2 1 1r p c 探测器的工作原理 e 西 甘 卜 为实现全覆盖、大面积的空气簇射阵列，需要找到种既具有优良的时间、 空间分辨性能，又要比传统的闪烁体探测器的成本更为低廉且便予安装、运行和 维护的探测器阻性板计数器( r p c ) 就是符合这些要求的探测器。 r p c 的结构如图2 2 所示。一个r p c 由两块高阻率( 电阻率1 0 ”1 0 “q c m ) 的平行板( 如塑料、玻璃、电木等材料) 组成，两板间隔的气隙厚度为几毫米， 气隙内通常充满氩气、异丁烷和氟里昂的混合气体，典型的气体比例为：氲气 第二章羊八井a r g o 宴赡 山求大学博士学位论文：羊八井a r g o 实验的原初粒子分辨 异丁烷= 6 0 4 0 ，氟里昂3 - 5 3 9 1 ( 因臭氧层国际保护公约，氟里昂气体己被 c 2 h 2 f 。气体所取代) ，其中氩气为带电粒子的探测介质，异丁烷的作用是为了减 少火花放电时产生的紫外线再生光电电离。而氟里昂是负电性气体，它的加入可 压缩放电范围。阻性材料的外表面涂以导电的石墨层以便加高压和接地。粒子的 击中信息通过放置在外面的金属感应条( 或片) 进行读出，感应条与石墨层之间 用绝缘板隔开。 当带电粒子穿越r p c 时，在气体中产生电离，在两板之间的电场作用下， 电子向正高压电极漂移并产生雪崩放电，在读出条上感应一个小的雪崩放电信 号。此外，雪崩放电后在接近阳极处形成一个正离子云团，此云团在电场的作用 下向负电极移动，并增加负电极场强。如果所加高压所形成的场强很强，则与离 子云所形成的电场叠加后，就可能把电子从放电的局部区域的阴极上拉回来，这 些电子再次雪崩，进而增加正离子云的浓度，以至于最后形成一个局部导电的等 离予体区，从而形成流光放电。这样在读出条上感应了一个流光放电信号，此信 号是雪崩放电信号的2 0 倍。r p c 可以工作在雪崩模式( 脉冲小、恢复时间快， 主要用于加速器实验) ，也可以工作在流光模式( 脉冲大，可简化前置放大器) 。 如果两扳之间的电压不够高，就可能不至于产生流光放电，而只有雪崩放电。 图2 2r p c 探测器结构示意图 r p c 保留了流光管的灵活方便的信号读出方式( 利用外部读出条感应输出 第二章羊八井a r g o 实验 山东大学博士学位论文：羊八井a r g o 实验的原初粒子分辨 信号) ，但将多丝阳极产生的以丝为中心的内部非均匀电场改为了窄隙( 2 r a m ) 的外部高阻率平行板产生的均匀电场，从而基本上避免了非均匀电场中雪崩形成 前电子漫长的漂移过程和漂移时间的涨落，大大提高了时间分辨能力可以获得 5 x 1 0 q c m ) 组成，两板间的气隙厚 度为2 m m 。r p c 工作在流光放电模式，所用的混合气体为h a ( 1 5 ) 、c 4 h 1 0 ( 1 0 ) 和c 2 h 2 f 4 ( 7 5 ) ，该混合气体适合在羊八井观测站低气压、低温度的 环境下使用。实验结果表明：在工作电压为7 k v 时，r p c 对带电粒子的探测效 率为- 9 5 。 每个p p c 包含8 0 条宽为6 7 c m 长为6 2 c m 的铜读出条，见图2 3 ，读出条间 的间隔为3 m m 。读出条平面通过3 m m 厚的泡沫板与电木板上的石墨层相隔。 r p c 的实际探测有效面积为1 2 3 6 x 2 7 8 6 c m 2 ，并被放置在一个尺寸为 2 8 2 c m 1 2 8 c m x 7 c m 的箱体中，见图2 4 。箱体是由两层两面粘有i m m 厚的铝箔 的泡沫板构成的自支撑结构，r p c 探测器和读出条被置于两泡沫板之间。前端 电子学被安装在箱体的内部。在箱体的顶部，一层5 c m 厚、两面粘有o 5 m m 铁 片的泡沫板把箱体和5 m m 厚的铅板分开，铅板可使e a s 中的y 光子转化成可被 r p c 探测的正负电子。 第= 章羊 井a r g o 实验 山东大学博士学位论文：羊八井a r g o 实验的原初粒子分辨 卜2 5 c 一 图2 3 r p c 的平面布局 图2 4r p c 探测器的封装结构及安装侧视图 第二簟羊八井a r g o 实验 tl溉l上 山率大学博士学位论文：苹八井a r g o 实验的原祝粒子分辨 2 1 3 数据获取系统 根据信号读出、数据获取和触发判选的需要，a r g o 阵列探测器按不同的级 剐被划分为如图2 5 所示的逻辑单元：整个阵列是由“c l u s t e r ”组成，每1 “c l u s t e r ” 由1 2 个r p c ( 6 x 2 ) 组成，而每个r p c 又被划分成十个面积为5 6 6 5 c m z 的读 出逻辑单元( 以下筒狠为p a d ，如图2 5 所示) ，每个p a d 包含8 个读出条。p a d 是a r g o 阵列的基本读出单元，它们的尺寸和时间分辨率决定了阵列的时空测 量精度。阵列中共包含1 8 4 8 0 个p a d ，其中中心区有1 5 6 0 0 个p a d ，保护匿有 2 8 8 0 个p a d 。 圈2 5a r g o 阵列的子结构示意图 对于每一个p a d ，一个读出条的信号表示该读出条是否坡粒子击中，8 个 读出条的信号相或( o r ) 后形成粒子到达对同信号。因此由来自p a d 的信号可 以得到击中p a d 的粒子数目的信息和粒子到达时间的信息。 来自一个“c l u s t e r ”中所有的p a d 的信号由一个区域性子站电子学系统 ( l o c a ls t a t i o n ) 收集和管理；中心站电子学系统( c e n t r a ls t a t i o n ) v - - e 责收集各个子 曩二章苹八井 酾。鸯纛 山东大学博士学位论文：羊八井a r g o 实验的原初粒子分辨 站电子学的信息，并利用这些信息进行触发判选和数据获取。 触发判选系统处理由基于它从各个子站得刘的关于在一2 p s 之内有多少个 c l u s t e r 被粒子击中和每个被击中的c l u s t e r 中有几个被击中的p a d 的信息，与预 设的触发条件相比较，当此数目超过预设触发要求的阈值时，立即产生一个快触 发信号该信号启动子站数据向中心站的传送。旦触发判选条件被满足之后， 在2 p s 时间窗1 2 内被击中的的p a d 的信息经过在线电子学的处理后形成a r g o 阵列的原始数据被记录到d l t 磁盘上。被击中的p a d 的数目称为一个事例的击 中多重数。对于每一个被击中的p a d ，原始数据中记录了以下的信息： 1 p a d 上某一读出条( s t r i p ) 是否被击中：一个子节的每一位对应一个读出 条，如果某一读出条被击中，则相应的位被置成l 。对于能量较小的簇射， 由于到达探测器平面的粒子数目较少，多个粒子同时击中同一个读出条的 几率很小，在这种情况下，一个p a d 上被击中的读出条的数目基本反映了 到达p a d 的带电粒子的数目。但是，对于商能簇射，多个粒子击中同一个 读出条的几率增大被击中的读出条的数目与击中p a d 的带电粒子的数目 之间就会出现很大的差别，出现“饱和”的现象。 2 p a d 信号的时间：由t d c 测量的来自8 个读出条的“或”信号的时间，该 时间信号被用于重建空气簇射的方向。a r g o 实验所使用的t d c 的时间分 辨率为l n s 4 们，工作于“公共停止”模式。 2 2 数据分析系统 a r g o 阵列的原始数据中包含了到达探测器平面的e a s 粒子的时空分布的 较为详细的信息，离线数据分析系统的任务就是要充分利用这些信息来重建产生 该e a s 的原初入射宇宙线粒子的特性：能量、入射方向、簇射芯位和粒子种类 等。由于a r g o 阵列只记录了p a d 上被击中的读出条的数目。而在高能e a s 簇射的情况下，该数目不能反映击中p a d 的粒子的密度，因此，a r g o 阵列对 入射粒子能量的测量具有很大的不确定性，欲对入射原初粒子的能量进行较为精 确的重建，霰在阵列中增加模拟读出，以测量e a s 粒子的密度。 因此，a r g o 实验的离线数据分析系统应满足以下的要求： i ) 重建原初入射粒子的方向：与传统的e a s 阵列一样，对原初入射粒子方 第二章革八井a r g o 实羹 出东大学博士学位论文：羊a 舞a r g o 实验豹原胡拉子分辨 向的重建也是利用阵列所测量的e a s 粒子的到达时间的分布进行的，因而重建 算法与传统的e a s 阵列的算法类似； 2 ) 重建簇射的芯位：簇射芯位是指原初粒子在进入大气之前的方向的延长 线与观涮平面的交点，这一个嚣虽然与原初粒子的物