立体水切伦科夫探测器性能改良及灵敏度评估的研究

The observation of astronomical gamma rays by balloon or satellite experiment is limited in the energy range below 10TeV from the reason of the payload limit. Hence various ground based experiments have been designed to observe high energy gamma rays above 10TeV. Among them, the surface array has the merit of large duty cycle and wide view which allows efficient detection of high energy gamma rays. However, existing detectors to observe extensive air showers (EAS) of gamma-ray origin has high threshold around 1 TeV, and high cosmic-ray background prevents the sensitivity to the gamma rays. In order to overcome the present difficulty of the traditional surface array,we developed a three dimensional water-Cherenkov telescope to be operated at Tibet where the merit of high altitude can be fully realized to have the low detection threshold energy. The three dimensional information is very useful to reject the cosmic-ray background，We have already made prototype detector and tested its performance with use of accelerator beam to prove the capability of the new detector. In this proposal, it is aimed to improve the new detector and evaluate the sensitivity of the detector array experiment.

卫星、空间实验由于荷载限制,10TeV电子、伽玛线观测需靠地面实验进行。目前最好的LHAASO等地面实验，大幅提高了TeV伽玛点源的观测灵敏度，但对电子、伽玛暴观测所需的性能要求还无法满足。为此我们探索开发了立体式观测新技术，首次实现了地面EAS探测器对宇宙线大气簇射的立体观测，该探测技术有望实现TeV能区电子能谱及100GeV伽玛暴事例观测， 100TeV以上能区宇宙线核种成分观测精度也比现有技术有大幅提高，新观测技术将与我国LHAASO等地面宇宙线实验形成很好优势互补。我们已经完成了探测器样机制作及利用加速器束流进行的探测器性能标定,证明了探测器的可行性，本项目申请目的是对新的探测器进行改良并完成探测器阵列实验灵敏度评估。

本项目“立体水切伦科夫探测技术”是首次提出利用地面EAS探测器对宇宙线大气簇射进行立体观测的新一代观测技术。通过本项目的实施，我们对“立体水切伦科夫探测技术”开展了深入的研究，对探测技术进行了包括结构和原理的设计改良，提高了探测技术的性能和可行性，并相应开发了一套相关的数据重建及分析的方法，并针对原有技术弱点开发了液体闪烁体探测器，探索了基于“立体水切伦科夫探测器“＋“轻便型液体闪烁体探测器”的高灵敏度超高海拔地面宇宙线观测技术，结合高海拔优势将实现地面100GeV伽马观测的突破。通过项目实施，取得如下主要成果：.1）本项目通过优化立体水切伦科夫探测器的设计，完成了探测器的定型。同时本项目还开发了轻便型“液体闪烁体探测器”。利用计算机蒙卡模拟数据完成了基于上述两种探测器阵列的性能评估，确认新探测技术结合高海拔条件，将能实现角度分辨率优于0.2度@1TeV，能量分辨率优于120%@1TeV，背景排除率优于99.9@1TeV，观测阈值达到100GeV，在数百GeV能区伽马射线的观测灵敏度比现有水平将提高10倍以上。.2）本项目还率先开发了一套地基EAS立体观测技术的实验数据重建及物理分析方法，实现了地基实验在数百GeV能区对伽马射线的EAS立体观测技术的突破。.3）基于本项目探测技术的预先研究，在2022年我们获得了国家自然科学基金重大科研仪器研制项目（自由申请）的立项支持（项目批准号：12227804）。新项目的成功实施将使我国地面高能伽马射线观测技术处于世界领先水平。.4）本项目国际首次开发了立体水切伦科夫探测技术，并被西藏ASγ合作组采用。本项目将被用作位于南美的ALPACA实验的下一期升级改造计划。新计划的目标是把观测能区延伸至100GeV的低能区，大幅提高伽马射线的观测灵敏度。从而用以观测银河系中心区域等，研究银心区物理，并发现大量的”拍电子伏特宇宙线源（PeVatrons）”。.5）通过本项目的执行培养了一批年轻人，提高了科研人员自身的业务技术水平。在本项目执行期间，共发表国际期刊论文5篇。