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1、河北师范大学 硕士学位论文 LHAASO-KM2A阵列对30TeV以上射线源的灵敏度估计 姓名：颜月先 申请学位级别：硕士 专业：天体物理 指导教师：崔树旺 20100403 III 摘 要 羊八井国际宇宙线观测站坐落于我国西藏高原海拔 4300 米的羊八井镇，拥有着我 国著名的地热能源，青藏铁路从这里穿过，有通讯光缆通过。它宽阔平坦的地势、冬无 积雪的气候优势、附近地热发电厂的电力供应、良好的通讯、生活设施，使其成为世界 上最理想的高山地面宇宙射线探测基地。 坐落在羊八井的 ARGO 和 As实验作为目前甚高能天文界上正在运行的宇宙线 地面阵列探测实验，拥有着高海拔、良好的后勤支持等优势地位
2、，已经运行了 20 多年 了。由于探测器面积小、不能有效地排除本底事例，该实验在射线探测灵敏度上，总 是略低于同时期的契伦科夫望远镜，未能充分发挥高海拔观测站在大视场、不间断巡天 扫描观测的巨大潜在优势。 LHAASO 是计划在羊八井建立的一个大型超复合地面粒子探测器阵列，覆盖面积 达 1 平方千米，利用光子、强子引起的簇射中的子含量不同，有效地排除本底事例， 以期大幅提高灵敏度，改变目前的被动局面。LHAASO 的两个子阵列：电子探测器阵 列、子探测器阵列复合成的阵列称为 KM2A 阵列。 本文基于对 LHAASO 的前期预研， 通过模拟 KM2A 阵列对 30TeV 以上的源的灵敏度，来估
3、计阵列的性能。 本文大体可以分为以下几个部分： 第一章介绍了宇宙线的背景知识，包括宇宙线的早期研究、宇宙射线的成分以及能 谱、几种探测宇宙线的方法以及宇宙线的研究现状。 第二章介绍了 LHAASO 的基本情况、科学目标以及基础设施。包括目前地面阵列 的局限性、建设 LHSSAO 的必要性、计划建设的基础设施等。 第三章介绍了 LHAASO 对 30TeV 以上的源的灵敏度模拟方法以及模拟结果。包 括模拟广延大气簇射使用的 CORSIKA 软件包、LHAASO-KM2A 使用的两种探测器： 电子探测器、子探测器以及两种探测器阵列的布局、判选条件的选择、阵列的有效面 积、角分辨的计算方法及结果、灵
4、敏度的模拟结果、p/分辨的方法以及结果，并给出 了KM2A的灵敏度曲线。 IV 第四章讨论了KM2A对30TeV以上源的灵敏度模拟结果，展望了未来LHAASO 能对天文和宇宙线物理做出的贡献。 关键词：宇宙线 广延大气簇射 灵敏度 V Abstract YBJ International Cosmic Ray Observatory is located in Yangbajing (YBJ) valley of Tibetan highland with altitude of 4300 meters.There is the well-known geothermal energy, th
5、e Qinghai-Tibet Railway pass through, there is also communication cable here. It has a wide flat terrain, and climate advantages of on snow in winter ,and good power supply by geothermal power plant nearby,and good communication、living facilities,which make it the worlds best ground base to detect c
6、osmic rays in the mountains. ARGO experiment and Asexperiment,which located in YBJ,as the ground base array of cosmic ray detection on the run in the world , has been running for 20 years.As its effective area is small,and it can not exclude the background events,its sensitivity on the-ray detection
7、 is always slightly lower than the Cherenkov telescope in the same period, failed to give full play to the high-altitude advantage ,and the large field of view, and the advantage of nearly 100% duty cycle. LHAASO is a large compound of ground base detector array plans to bulit in YBJ, covering an ar
8、ea of 1 square kilometer. It exclude the background events by the different between the contents of the extensive air shower induced by photons and hadrons. It is expected to greatly increase the sensitivity, change the passive situation. In this paper, only electronic detector array and detector ar
9、ray were simulated, this combined array called KM2A. This paper is based on the prophase research of LHAASO ,we estimate the performance of KM2A by simulating the sensitivity to source with energy above 30TeV. This paper can be roughly divided into several sections: The first chapter introduce the k
10、nowledge of cosmic rays, including the research history of cosmic ray ,the cosmic ray composition and energy spectrum, several methods to detect cosmic rays and modern comsic ray astronomy. The second chapter introduce LHAASO, scientific aim that LHAASO want to achieve and infrastructure. Including
11、the limitation of the current ground base array and the essentiality of LHAASO. VI The third chapter introduce simulation method to simulate the sensitivity to the ray sources with energy above 30TeV, and the results of simulation. Including CORSIKA software package used to simulate extensive air sh
12、ower, two kinds of detectors: electronic detectors and detectors and the layout of two kinds of detector array, methods to calculate effective area and angular resolution ,the select conditions ,the result of effective area, angular resolution, sensitivity of KM2A . the method to identify photon and
13、 proton, then the sensitivity curve of KM2A is given. The forth chapter has carry on the summary to this article and forecast the contribution that LHAASO may make to astronomy and cosmic ray physics. Key words: cosmic rays extensive air shower sensitivity II 学位论文原创性声明 学位论文原创性声明 本人所提交的学位论文对大型高海拔空气簇射
14、观测站的灵敏度估计 ，是在导师的指导 下，独立进行研究工作所取得的原创性成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。 对本文的研究做出重要贡献的 个人和集体，均已在文中标明。 本声明的法律后果由本人承担。 论文作者（签名） ： 指导教师确认（签名） ： 年 月 日 年 月 日 学位论文版权使用授权书 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解河北师范大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学 位论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权河北师范大学可以将学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其它复制手段
15、保 存、汇编学位论文。 （保密的学位论文在 年解密后适用本授权书） 论文作者（签名） ： 指导教师（签名） ： 年 月 日 年 月 日 1 1 引 言 早在一百多年前，人们就发现了宇宙线，但是对宇宙线的起源，人们至今都没有弄 清楚。大多数宇宙线粒子在进入地球大气层之前，已经跋涉了很长的距离，在传播的过 程中，它们不断与星际物质发生碰撞，衰变成其他粒子。其中带电粒子在穿过星际磁场 和行星际磁场时，受到偏转作用而改变方向。中性且寿命长的粒子如光子等，不受磁场 的影响，这些粒子携带着关于它的起源以及传播过程中的相互作用等信息，是目前人类 能获得的唯一的太阳系外的物质样品。研究宇宙线，对人们了解宇宙有
16、着不可或缺的作 用。 1.1 宇宙线的概述 天体源不断的向外辐射高能粒子，主要是高能电子、光子（射线）和核子。这些 粒子经过漫长的跋涉，与星际气体的空气核相互作用产生粒子流，这些粒子流进入地球 大气层，与空气核相互作用产生次级粒子，次级粒子再与空气核作用产生三级粒子，并 这样发展下去，产生更多次级粒子，直到次级粒子的平均能量接近某些临界值。此时次 图 1.1 初级强子产生的电磁簇射在大气中的纵向发展曲线 级粒子的数目达到极大值，称为簇射极大。此后由于大气的吸收以及次级粒子的衰变， 2 次级粒子数目开始下降。这种过程称为广延大气簇射。从天体源中辐射出来的粒子流称 为 “初级宇宙线”,初级宇宙线与星际空间气体相互作用产生的粒子流称为 “次级宇宙线” 。 初级宇宙线和次级宇宙线合称为原初宇宙
