ASγ实验地面阵列升级及10-100TeV能区的γ射线、宇宙线电子和暗物质粒子的研究

起源、加速和传播是银河宇宙线的三个根本问题，可以通过高能γ射线源的观测、高能宇宙线能谱和高能宇宙线各向异性的测量得到有效的研究。中日合作西藏羊八井ASγ实验在后两个问题的研究中取得了国际领先的成果，中方为此做出了突出的贡献。尽管空间实验和地面的大气切伦可夫望远镜实验在GeV-TeV能区发现了大量的γ源，但这些源都可电子辐射过程来描述，宇宙线起源问题的回答有待于100TeV能区的γ射线观测，因为此能区的γ射线来自宇宙线核子的贡献会比较显著。2010年，ASγ实验建造了4500平方米的地下μ子探测器，将成为10TeV以上能区国际上最灵敏的γ射线和电子探测器，本项目建议的表面阵列升级计划，仅用较少的资金，就可使γ射线和电子的灵敏度在100TeV能区再提高近两倍，为宇宙线的起源、加速和传播研究带来重要推动，并为该能区的暗物质粒子寻找带来新的机遇。通过本项目，中方还有望在探测技术上达到国际先进水平。

本项目主要包含中日合作西藏ASγ实验的仪器升级改造及相关物理研究两个部分。前者是我们吸取以往中日合作中中方缺乏探测器队伍培养的问题，加强培养探测器队伍的一个重要努力。通过本项目资助，使我们在探测器研制，实验数据分析，探测器模拟及数据重建和唯象理论研究，以及未来探测技术预研等多个方面得了培养了队伍并取得了好的收获。在探测器的建造过程中，为达到更好的效果，我们争取到国内合作单位的人员和资金投入，主动提高了性能参数指标。现已完成所建造探测器的安装和联调，正在运行并获取数据，预计不久将有基于我们实验观测的新物理成果。在探测器研制方面，(1)任务书仅要求完成120台闪烁体探测器，其中71台只配置测量粒子数密度的慢时间PMT，其他49台兼有快时间信号和粒子数密度测量。2016年10月，但我们采用了阳极和打拿极同时读出的方法，使得所有探测器既有快时间的信号，又拥有大动态的粒子数测量信号。此外，还在65台探测器上放置了厚度为一个辐射长度的铅板。在电子学和数据采集方面，我们采用了LHAASO-KM2A阵列实验的前端电子学和白兔子时钟同步系统，这套系统能够保证每台探测器的时间戳精度好于1ns，从而用当前最先进的方案解决了时间标定问题；(2)根据任务书，新研制的探测器与日方扩建的一万平米的地下MUON探测器联合运行，使得ASγ的阵列在100TeV能区的有效面积扩大近一倍。但由于日方合作组经费困难和队伍问题，日方仅完成了3600平米的MUON探测器，科学目标需进行调整。为此，我们将所完成的闪烁体探测器阵列与我们2010年自己研制建造的地下缪子探测器联合运行。目前此阵列正在获取高质量的物理数据，预期2017年将有可能率先观测到100TeV能区的伽玛射线；(3)我们还研制了水透镜并成功观测到宇宙线。在数据分析方面，(1)率先在北天区开展了亚PeV能区的宇宙线各向异性的测量，发现100TeV附近，宇宙线各向异性的空间分布发生了明显的变化；(2)率先测量了大气簇射前锋面的本征时间结构。唯象理论方面，我们在宇宙线的起源、加速、传播，弥散伽马和银心伽马辐射，在宇宙线各向异性与银河大尺度磁场的关联，在宇宙线的4PeV膝和电子的1TeV截断能谱与暗物质粒子间的联系，在大爆炸元素生成过程中宇宙线的效应等多个方面开展了研究。