水切伦科夫缪子探测器的参数测量与性能研究

Water Cherenkov muon detectors are widely used by high energy experiments about cosmic ray and so on, and the accuracy of muon numbers reconstructed by the detectors is important for the achievement of physics goals. The signal of water a Cherenkov detector is primarily decided by water attenuation length and reflectivity and reflect model of the inner Tyvek. We have developed a new method to accurately measure the attenuation length of water and the reflectivity of Tyvek by changing the height of a water Cherenkov detector. In this project, firstly we will measure the water attenuation length and Tyvek reflectivity of light with different wave length by changing the height of a Cherenkov detector with 1 meter diameter, and also measure the parameters of Tyvek reflect model in the cube space. Then we will use the parameters measured to do Geant4 simulation and compare simulation and experimental results of the water Cherenkov muon detector. Find and settle the problems of simulation and experiments and realize high consistency of experimental data and simulation and improve the accuracy of muon numbers reconstructed. We will also compare the signal performance of different kind of particles injected, and develop good method to do particle identification and reconstruction of muon numbers with self-triggered water Cherenkov detector. We will also study the shield of background and the background level of secondary cosmic ray particles.

水切伦科夫缪子探测器被广泛应用于宇宙线等高能物理实验，缪子数的重建精度对实验物理目标的实现起到关键作用。水切伦科夫探测器里超纯水的衰减长度以及探测器内壁Tyvek反射率和反射模型对探测器信号大小起到决定作用。本项目拟用我们提出并验证的新方法，通过改变圆柱形水切伦科夫探测器高度高精度得测量出水的衰减长度和Tyvek的反射率随光波长的变化，结合立体空间对Tyvek反射模型参数的测量，解决制约水切伦科夫探测器精细研究的参数测量等难题；然后将参数应用到水切伦科夫缪子探测器的研究，对比模拟与实验解决修正模拟和实验中存在的各种问题，高精度实现不同位置和角度入射缪子信号模拟和数据的一致性，提高对入射缪子数目重建的精度；并研究不同宇宙线次级粒子在水切伦科夫探测器上信号的差别，研究自触发模式下水切伦科夫探测器的粒子分辨能力和重建能力，并进行探测器探测器本底屏蔽和宇宙线次级本底水平研究。

本项目发明了水切伦科夫探测器参数测量的新方法并进行了模拟和实验验证以及参数测量，详细分析了水切伦科夫探测器的性能，并进行了大型高海拔宇宙线实验(LHAASO)缪子探测器缪子数重建和电磁粒子探测器时间与电荷标定研究以及WCDA动态范围扩展系统研究，提供了新的参数测量方法和标定方法，并为LHAASO实验和物理分析提供了依据。以高反射Tyvek为内表面的水切伦科夫探测器被广泛用于很多实验，如Auger和LHAASO等。水切伦科夫探测器里光电倍增管采集的光子数随时间变化的波形基本为e指数衰减，衰减因子由水吸收长度、内壁Tyvek反射率等决定。基于光在探测器里的传播衰减原理，我们发展出了测量水吸收长度、Tyvek反射率以及平均反射步长的新方法，并对这些方法进行了模拟和实验验证。用不同方法测量了水切伦科夫探测器的水吸收长度、Tyvek反射率、平均反射步长及Tyvek反射模型等参数。证明新方法漫反射率测量误差小于0.2%，平均反射步长测量结果与模拟预期一致，水吸收长度误差也远小于现有其他方法，方法新颖操作简单且误差小，具有很强的深度开发和应用价值。通过不同角度反射光强测量结果分析得到Tyvek反射模拟参数并用于探测器模拟，得到与实验测量结果一致的平均反射步长，证明通过测量得到的反射模型参数为可靠实际参数，也证明了通过我们发明的测量反射步长的方法能够用来检验参数修正Tyvek反射模型参数。并通过模拟和实验进行了水切伦科夫缪子探测器信号的位置响应以及本底水平等的性能研究以及缪子数重建方法的研究。实际测量得到LHAASO缪子探测器信号纯度大于97%，缪子数重建不确定度小于30%，满足指标要求。进行了宇宙线缪子数测量和强相互作用模型研究。进行了WCDA水切伦科夫探测器阵列动态范围扩展系统研究，模拟分析了不同能量不同种类单粒子以及不同宇宙线事例在WCDA水池上的信号，并研究了宇宙线芯位重建等；进行了LHAASO项目电磁粒子探测器阵列时间与电荷标定研究，得到可靠的标定方法与结果。