利用直射契伦科夫光测量宇宙线重成份能谱的研究

The accurate measurement of the spectra of elemental composition of cosmic rays is curial to the origin of cosmic rays. However，the measurements of high energy cosmic rays are based on the ground experiments, the composition reconstruction depends on the interaction model and energy reconstruction, so large uncertainties are introduced in the measurements. In this application, a new method to measure the spectrum of the heavy cosmic rays by using the direct Cherenkov light which is emitted by primary cosmic rays before its first hadronic interaction with the Earth’s atmosphere is proposed. The intensity of the direct Cherenkov light is proportional to the square of the charges of the cosmic rays and independent of the interaction model. The Wide Filed Cherenkov Telescope array is one of important parts of Large High Altitude Air Shower Observatory. This application will focus on the estimation of the background of the Cherenkov light emitted by the air shower under the design and arrival direction resolution of the WFCTA. The application will also study the ability to determine the heavy cosmic rays by this method, the effective energy range, and the ability to measure the spectrum of heavy cosmic rays. Furthermore，the hybird data observed by prototype telescope and ARGO-YBJ observed will be used to measure the heavey cosmic ray spectra. A method independent of the interaction model and energy reconstruction will be provided for the ground-based experiments.

对宇宙线分成份能谱的精确测量是解决宇宙线起源这一“世纪难题”的途径之一。然而高能宇宙线的探测主要依靠地面实验来实现，成份重建依赖于相互作用模型和能量重建。本项目拟通过测量直射契伦科夫光鉴别宇宙线重成份的方法，实现对宇宙线重成份的测量。直射契伦科夫光产生于高能宇宙线带电粒子进入大气层之后，为发生强相互作用之前，其强度正比于宇宙线所带电荷的平方，是一个不依赖于相互作用模型且敏感于成份的参量。广角契伦科夫望远镜阵列（WFCTA）是大型高海拔空气簇射观测站（LHAASO）的重要组成部分，本项目将重点研究在WFCTA望远镜设置，方向重建精度等条件下，排除次级契伦科夫光子本底的方法，并结合LHAASO其它探测器，研究该方法挑选宇宙线重核的能力、有效工作能区、测量宇宙线重成份能谱的能力。并利用样机和ARGO-YBJ的联合观测数据测量重成份能谱。为地面实验提供一种不依赖于相互作用模型和能能量重建的方法。

宇宙线起源问题是当今宇宙线领域的核心问题，对宇宙线分成分能谱的精确测量有助于解答此问题。宇宙线全粒子谱在能量GeV至100EeV范围内呈现幂律分布，但也存在着细小的结构。如在PeV处的“膝”；EeV处的“踝”和几十EeV处的GZK截断等。对宇宙线能谱细小结构的精确测量，特别是分成分能谱的测量能够帮助解决宇宙线的起源问题。 . 对宇宙线分成分能谱的测量主要依赖于空间实验，但受空间载荷和观测时间的限制，空间实验只能对能量低于100TeV的宇宙线进行有效测量。对更高能量宇宙线的测量需要地面实验通过观测广延大气簇射的方式实现。近年来地面实验对宇宙线能谱的测量取得了很大成绩，但测量结果存在着差异。其主要原因是缺少对能量的绝对标定，在能量和成分重建过程中存在对强相互作用模型的依赖。.本项目的主要研究内容利用直射契伦科夫光子对宇宙线重成分的鉴别能够减少在成分重建过程中对强相互作用模型的依赖。直射契伦科夫光是高能宇宙线粒子进入大气层以后未发生强相互作用之前所辐射出的契伦科夫光子，因此其与强相互作用无关，其强度正比于宇宙线粒子所带电荷的平方，具有极强的方向性。故可以通过对其的观测实现对宇宙线成分的鉴别。. 大型高海波宇宙线观测站（LHAASO）中的广角契伦科夫望远镜（WFCTA）拥有1024个硅光电倍增管（SiPM），每SiPM具有0.5度X0.5度的视场。能够在16度X16度的视场范围内对契伦科夫像进行观测。本项目利用LHAASO-WFCTA的光学设计，像素精度以及不同像素精度下，通过模拟的方法对利用直射契伦科夫光子鉴别宇宙成分做了详细研究。通过研究发现，望远镜的像素精对宇宙线成分的挑选精度有影响，像素越小挑选精度越好；此外还对比了EPOS和QGSJETII04两种相互作用模型，发现此方法确实受模型影响很小。除此之外还研究了直射契伦科夫光子方法较传统的Hillas参数，如契伦科夫像的长和宽做了比较，发现直射契伦科夫方法能够将重核的挑选效率提高24%。此研究为LHAASO实验提供了一种不依赖于相互作用模型的成分区分方法。