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羊八井 AS γ 地下 muon 探测器实验进展钱祥利山东大学、中科院高能所

2014 年 4 月 21 日

2014/4/21 武汉

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主要内容 实验物理目标 探测器介绍

Asγ 实验及 muon 探测器 数据获取系统介绍 探测器性能

分辨率、不均匀性、长期稳定性 总结与展望

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宇宙线的起源、加速和传播

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“ 标准烛光”蟹状星云是一个典型的电子源

1.标准的起源和加速理论：剧烈天体演化所产生的激波；1.正在加速的源以观测 γ 最为有效，迄今成百上千个 γ 源都是电子源，核子源没找到；2.古老源（ > 百万年）需要观测宇宙线自身（遗迹）；2.传播：各向异性等研究

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宇宙线强子起源的证据：100TeV能区伽马射线的发射

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TeV J2032+4130 (~5% Crab)

γ的产生机制：轻子起源：韧致辐射、同步辐射、逆康普顿散射；强子起源： P + P π±+ π0 +… e± + ν + γ + …

MD ~10,000m2

MD-A

10TeV 以上能区国际最灵敏的 γ/ 电子探测器中方独立承担一组 900 平方米地下Muon 探测器（ MD-A ）的研制与运行

AS+MD 全阵列，成为全（北）天区 >10TeV 灵敏度最高的 γ 天文望远镜

MD(12 个 ) 面积：10800m2 MD-I(5 个 ) 面积：4500m2

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MDA 探测器研制

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muon 探测器设计：

采用水切伦科夫技术 地下 2.5m ( ~ 19 辐射长度 ) 12 个单元构成 ( 每个单元 16 个水池 ) 水池大小 7.2m×7.2m×2m 装有 20 英寸 PMT 、大型密闭水袋

1.9m7.2m

7.2m×7.2m × 1.9m 整体密封的水袋

探测器内部结构示意图

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MDA 完成了 16 个水池的安装和测试工作

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水池清理及 PMT 安装 铺设衬底和水袋

水净化系统注水 电缆走线示意图

MDA

控制室

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PMT 基本性能测试

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• LED 光源经 teflon 弥散• 拟合函数：指数 + 高斯• ADC 分辨率： 0.1pC/count

1840Vgain: 3.0375e+07

2000Vgain: 6.49812e+07

2200Vgain:1.4475e+08

PMT(R3600-06) 不同高压下的 SPE谱SPE 测试

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PMT 基本性能测试

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绝对增益hv: 1840 gain: 3.0375e+07hv: 2000 gain: 6.49812e+07hv: 2200 gain: 1.4475e+08

相对增益hv: 1200 gain: 671035hv: 1300 gain: 1.43012e+06hv: 1400 gain: 2.87342e+06hv: 1500 gain: 5.47653e+06hv: 1600 gain: 9.86368e+06hv: 1700 gain: 1.69492e+07hv: 1800 gain: 2.83215e+07hv: 1840 gain: 3.35469e+07hv: 1900 gain: 4.44918e+07hv: 2000 gain: 6.86684e+07hv: 2100 gain: 1.01668e+08hv: 2200 gain: 1.4475e+08hv: 2300 gain: 1.99684e+08hv: 2400 gain: 2.71339e+08

以 2200V 为参考电压

• 高压范围： 1200V-2400V （步长100V ）• 拟合函数： =Aμ .Vβ

高压响应

= 8.7β

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MDA 数据获取及相关电子学

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共 16 路 PMT 信号 采用 TDC 、 ADC 、甄别器、高压等插件， TDC 分辨 0.8ns/bin ， ADC 分辨 0.1pC/bin

表面阵列给出 trigger 信号，触发率 ~1.7kHz ，数据量 10G/day

GPS 触发板（接收 trigger 信号，给出 GPS 时间）

MDA 数据获取示意图

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单 muon 波形图

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单 μ 信号宽度：~750ns

上升时间：~80ns

幅度： ~ 几十mV

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单 muon 的测试

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MDA 各个水池测到的单 μ 谱1. MD-A 单 Muon 分辨率（ FWHM ）为

34% ，而 07 年原型探测器则大于 70% ；2. 光电子数为 07 年原型探测器的 17 倍，约

300 多个光电子；

MDA 与 07 年原型探测器对比

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位置均匀性测试

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pool

Soil

Scintillation counters

2.9mSite A

不同位置处得到的单 Muon 峰值差别<6%

测试系统示意图

A B

C

D

7.2m

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长期稳定性的监测

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监测时间 2013.11.22 – 2014.3.7

1. 注完水一个月之后，单 μ 信号的变化情况2. 信号下降 ~3% ，之后趋于稳定

Tank1

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宇宙线 shower 事例的探测与重建

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重建出的天顶角分布拟合函数 xx 4cossin

挑选出 MDA 不少于 4 路探测器着火，利用平面拟合进行方向重建

重建出的方位角分布

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宇宙线 shower 事例的探测与重建

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其中一个事例， theta=23.8°

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总结与展望 单元探测器的性能测试表明

MDA 探测器明显优于 07 年 Prototype 探测器 单 Muon 分辨率达到 30% ，光电子数在 300 个左右，具有很好的位置均匀性 信号长期稳定性好

MDA 已经正式运行，进行 shower 事例的重建 AS γ 表面阵列正在恢复运行中，期待更多联合运行的数据，早日取得更多的物理结果。

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谢谢大家！

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模拟结果对比 水吸收长度的确定：

模拟参数： 440nm 时， 70m ， 325nm 时， 28m ；其他实验结果： Super-K ： 420nm ， 98m Milagro ： 325nm ，水池 15m ， tank5m

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