基于契仑科夫望远镜阵列综合孔径干涉成像方法的高分辨率伽马源观测研究

Atmospheric Cherenkov telescope technology is an important tool for ultra-high energy gamma astronomical observations. High-resolution imaging of gamma-ray morphology and the accurate measurement of photon‘s energy spectrum is essential to study the origin and acceleration mechanism of cosmic rays. At present, the development of large diameter telescope and the use of multiple telescope stereo observation mode is to reduce the detection threshold, and increase imaging resolution etc. However, the difficulty of telescope optical design, installation, system control, and the cost will also increase rapidly with the dimension of the aperture. In addition to that, performances of traditional stereo observation method have tended to approach some bottlenecks. In order to break them, this project plan to present and study a new method i.e. synthetic aperture intensity interference imaging with Cherenkov telescope array, and then carry out experimental verification and precision gamma source observations. The main idea is that, we shall detect the same shower with multiple telescopes simultaneously. Based on the Hanbury Brown-Twiss effect, we can make use of the intensity interferometry of photon flux in the space and time, to reconstruct the high resolution image by a specific algorithm. The performances of the telescope array will be significantly improved.

大气契仑科夫望远镜技术是甚高能伽马天文观测的重要手段。伽马源形态的高分辨率成像和光子能谱的精确测量对研究宇宙线起源及加速机制至关重要。当前，研制大口径望远镜或采用多台望远镜立体观测模式是降低阈能、提高成像分辨率和显著性水平的主要技术手段。然而，望远镜光学设计、装调、系统控制的难度和造价都会随口径的增大迅速增加。另一方面，对于传统的立体观测方法，其各项性能指标会当望远镜达到一定数量后出现瓶颈。为了突破这些瓶颈，本项目提出并计划研究一种契伦科夫望远镜阵列综合孔径强度干涉成像方法，并开展实验验证和伽马源的定点观测。其核心思想是，望远镜阵列同时对簇射进行联合探测，基于Hanbury Brown-Twiss效应，利用进入各台望远镜的契伦科夫光子流强在空间和时间上的强度相干性，通过研发成像算法获取伽马源超高分辨率图像。这项技术将使得望远镜阵列的主要性能得到显著提升。

本项目的科学目标是高能伽玛源与宇宙线的高精度观测测量，使得人们更加接近宇宙线起源和加速机制这一世纪之谜的答案。成像大气契仑科夫望远镜是开展伽玛天文和宇宙线研究的重要探测装置。本项目首次提出通过多台望远镜组成拓扑阵列，在交叉视场中联合观测相同的宇宙线簇射。契仑科夫辐射光到达阵列中各探测器，这些光子触发望远镜的光电倍增管。每台望远镜探测的光子具有很强的时间-空间相关性，这些像被证明具有二阶量子相关性。本项目从理论和实验两方面详细地研究了契仑科夫光子强度干涉成像的现象。我们认识到应用强度相干成像方法将以极高分辨率重建簇射物理过程，非常精确地测量伽玛射线、宇宙线的能谱和各向异性。本项目以LHAASO-WFCTA为研究对象，对各望远镜进行了光学互标定，确定其构型对联合观测的作用。为了提高SiPM探测器的动态范围和灵敏度，自主研发了与SiPM探测器产生深耦合效应的新的自由曲面光导，并进行了产品的制造与测试实验，并给出了一种高精度契伦科夫光子触发概率模型，研究表明这将光子计数和像的重建精度提高了至少一个数量级。我们在这些工作的基础上，确定了探测器之间时间-空间配准关系。我们应用Corsika进行了100TeV至100PeV的宇宙线模拟，通过全成像链的光子追踪，完成了探测器模拟。基于此我们对宇宙线事例进行强度干涉成像研究，表现出对原初事例高分辨率的解析能力。最后，我们进行了实验研究，利用构建模拟契仑科夫像的光辐射特性的光源，并在分布式探测器上产生成触发信号，观测到二阶强度相干HBT效应，进而将探索这些像之间更加复杂的高阶强度相关性，进一步提升宇宙线的测量能力。