LHAASO对伽玛射线暴在10GeV以上辐射的探测能力及其科学意义

Thanks to Fermi's GBM and LAT detectors, our knowledge about gamma-ray bursts (GRBs) and their afterglows, especially those at the high-energy gamma-ray energies (30 MeV-10 GeV), has been greatly advanced. However, in the very high-energy band (i.e., above 10 GeV), the Fermi-LAT has seen only a few photons because of its limited collecting area set by the payload of the spacecraft. To greatly increase the number of >10 GeV photons detected from GRBs, we have to rely on ground-based gamma-ray detectors. The Large High Altitude Air Shower Observatory (LHAASO) is set to be built at the Province of Sichuan in China, and the project has been officially approved since January 2016. It will become most sensitive to very high-energy photons and will cover the broadest energy range among similar particle detectors. We plan to make the best use of LHAASO-WCDA to detect high-energy emission from GRBs on the ground, an achievement which has not been made before. This project will carry out extensive effort to understand the sensitivity at 10 – 100 GeV of LHAASO-WCDA for GRB observations based on current hardware configurations and software abilities. The support from NSFC will greatly help us to achieve the best sensitivity of WCDA, given our knowledge of Fermi-LAT GRBs. The emission properties of GRBs above 10 GeV will hopefully answer unresolved questions laid down by previous Fermi-LAT observations.

Fermi的GBM与LAT空间探测器使人们对伽玛暴在瞬时辐射和馀辉阶段, 特别是高能段(30MeV-10 GeV)的辐射特徵有了比较好的理解。但在极高能伽玛射线能段(10GeV以上)，Fermi-LAT受限于空间上有限的收集面积，只探测到少量光子。要大幅提升可探测的极高能伽玛光子数，就必须仰赖地面探测器。高海拔宇宙线观测站（LHAASO）将建于四川省稻城县海拔4410米的高山上，于2016年1月立项建站，建成之后，伽玛射线灵敏度为世界上同类粒子探测器之冠。项目组希望了解LHAASO-WCDA在现在的软硬件条件下对伽玛暴观测的灵敏度，并通过Fermi-LAT的伽玛暴观测数据来进一步加强WCDA的伽玛暴探测效能。最终实现国际上首次从地面上探测到伽玛暴的高能辐射这一目标。了解伽玛暴在10 GeV以上能段的辐射，可以帮助回答Fermi-LAT观测中带来的一些未解决的伽玛暴相关科学问题。

伽玛暴是宇宙中最激烈的恒星级爆发现象之一，其在空间上与时间上有不可预测性，且爆发持续时间短。LHAASO-WCDA对寻找伽玛暴等瞬变源具有全天候和大视场两大优势，因此LHAASO的科学目标之一是观测伽玛暴的GeV-TeV高能辐射，由于灵敏度与河外吸收等因素，该能段为伽玛暴观测中较为缺乏探测的能段之一。探测到伽玛暴的GeV-TeV高能辐射为了解伽玛暴时辐射和余辉的产生机制，伽玛暴辐射的额外高能成分来源等问题起著非常关键的作用。本项目主要研究LHAASO-WCDA对于伽玛暴的观测灵敏度，并通过分析Fermi-LAT的伽玛暴数据及其产生的科学意义，优化WCDA的采样、数据存储与分析等各方面，目标为帮助保证LHAASO-WCDA对视场内发生的伽玛暴进行深度持续的监测。在项目组人员的共同努力之下，LHAASO-WCDA已具备充分的条件，实现首次利用粒子探测器成功探测到伽玛暴的高能辐射这一关键的技术成果。此外，项目组也同时研究费米发现的伽玛暴以及其相关的高能源，配合LHAASO项目的建成，将可以对科学数据进行细致的物理分析。项目主要培养了4名博士研究生和1名博士后。此外，在项目的进行过程中，项目负责人于所在的中山大学积极培养了物理与天文学科的本科生，包括组织了针对中山大学本科生的每周组会，对宇宙线探测器LHAASO的硬件、软件，再到科学进行了深入的讨论。这为将来LHAASO的持续运行和科学产出培养了年轻优秀科研力量。