宇宙線高能光子探測器初步研究

1、唐志成徐明陳國明高能物理研究所,宇宙線高能光子探測器初步研究,高能物理學(xué)會2010年會,2,暗物質(zhì),高能物理學(xué)會2010年會,3,暗物質(zhì)探測,高能物理學(xué)會2010年會,4,暗物質(zhì)湮滅線探測,理論預(yù)言暗物質(zhì)粒子可以通過湮滅產(chǎn)生單能光子通過湮滅線探測暗物質(zhì)具有決定性意義,smoking gun!,高能物理學(xué)會2010年會,5,中國空間站,2018,高能物理學(xué)會2010年會,6,現(xiàn)有實驗情況,PEMELA50MeV~數(shù)百Ge

2、V21.5 cm2sr2006年6月升空Fermi（GLAST）<300GeV0.5m2sr2008年升空AMS<1TeV0.1m2sr2010年7月升空,目前300GeV以上宇宙線光子的精確探測仍然缺乏30GeV~4TeV基于電磁量能器的宇宙線 γ 探測器將有可能發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)粒子湮滅線,高能物理學(xué)會2010年會,7,探測器的基本設(shè)計,反符合探測器判別入射粒子是否帶電，分辨光子和電子電磁量能器測量入

3、射粒子的能量，得到能譜中子探測器測量簇射過程中產(chǎn)生的中子，用于鑒別強子事例（質(zhì)子、He核等）和電磁事例（電子、光子）塑料夾層吸收簇射反沖慢化中子,主要指標(biāo)接收度3m2sr能量范圍30GeV~4TeV能量分辨率好于2%角度分辨1°質(zhì)子排斥10-7電子排斥10-4,高能物理學(xué)會2010年會,8,可探測性研究,在典型的條件下（3m2sr探測器，空間站軌道巡天運行1年，2%能量分辨率）可探測的暗物質(zhì)湮滅線最小流量

4、與暗物質(zhì)粒子質(zhì)量的關(guān)系,高能物理學(xué)會2010年會,9,可探測性研究：巡天觀測,最小靈敏流量與探測器能量分辨率、質(zhì)子排斥、電子排斥性能的關(guān)系能量分辨率的影響最大,高能物理學(xué)會2010年會,10,可探測性研究：針對銀心,高能物理學(xué)會2010年會,11,探測器設(shè)計優(yōu)化,空間實驗資源有限探測器發(fā)射重量限制在軌電源供應(yīng)有限對探測器的限制探測器體積限制探測器電子學(xué)道數(shù)限制優(yōu)化設(shè)計目的：在給定的探測器限制下給出最好的探測器性能,高能物

5、理學(xué)會2010年會,12,探測器設(shè)計優(yōu)化,通過蒙特卡羅模擬各種探測器參數(shù)（探測器線度和粒度，探測器類型）對性能的影響，包括：鎢-閃爍體夾層電磁量能器長條晶體堆疊電磁量能器反符合探測器鋰玻璃中子探測器需要考慮的探測器性能指標(biāo)包括 接收度，能量分辨率，角度分辨率，粒子鑒別等,高能物理學(xué)會2010年會,13,幾種可能的量能器設(shè)計,高能物理學(xué)會2010年會,14,面積 1m×1m30 層 ( 30 輻射長度 )閃爍體條

6、0.5×0.5×100cm使用30, 28, 24, 21, 20, 19, 18層數(shù)據(jù)重建能量重建角度重建（重心擬合法）粒子鑒別（TMVA）,鎢-閃爍體夾層量能器,高能物理學(xué)會2010年會,15,能量分辨率與光子能量關(guān)系,,高能物理學(xué)會2010年會,16,能量分辨率與探測器層數(shù)關(guān)系,高能物理學(xué)會2010年會,17,角度分辨按照5mm閃爍體重建,,高能物理學(xué)會2010年會,18,60cm×60cm

7、40cm / 72層 / 36 X0使用 72, 64, 56, 48, 42, 40, 38, 36 層重建能量重建角度重建粒子識別,晶體長條堆疊量能器,高能物理學(xué)會2010年會,19,能量分辨率與光子能量關(guān)系，與探測器層數(shù)的關(guān)系,高能物理學(xué)會2010年會,20,角度分辨,高能物理學(xué)會2010年會,21,初步比較,對于高能光子，晶體方案由于完全吸收簇射能量，能量分辨率要優(yōu)于取樣式量能器。但是實際測量中能量分辨率還受到許多因素影

8、響，包括刻度誤差，溫度影響，元件老化等等。故最終的能量分辨率兩種設(shè)計差別不大。另一方面，取樣式量能器探測單元較多，角度分辨較好。其他需要考慮的因素飽和效應(yīng)溫度效應(yīng)單位輻射長度的重量耗電量,高能物理學(xué)會2010年會,22,粒子鑒別: TMVA,TMVA ( Toolkit for MultiVariate Data Analysis ) : 一種通過機器學(xué)習(xí)方法完成事例識別的工具集成在 ROOT 軟件里面機器學(xué)習(xí)方法包括

9、增強決定樹(Boost Decision Tree)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等等用于量能器簇射形狀識別，用以區(qū)分電磁事例（光子、電子）和強子事例（原子核）,http://tmva.sourceforge.net/,高能物理學(xué)會2010年會,23,TMVA 輸入變量,高能物理學(xué)會2010年會,24,TMVA 輸入變量(續(xù)),高能物理學(xué)會2010年會,25,TMVA 輸出,高能物理學(xué)會2010年會,26,TMVA 效率,訓(xùn)練事例信號 5000本

10、底 5000測試事例信號 100k本底 1M本底通過率7x10-4(保持90% 信號事例),高能物理學(xué)會2010年會,27,粒子鑒別：中子探測分辨強子、電磁事例，使用鋰玻璃,> 90% proton rejection,鋰玻璃能量沉積與量能器能量沉積關(guān)系紅色為質(zhì)子事例藍色為電子事例,90% em shower,高能物理學(xué)會2010年會,28,探測器單元測試,高性能的探測器需要高性能的探測元件電子鑒別：需要VETO

11、探測器對MIP探測效率達到0.9999從MIP到TeV能量的入射光子：要求量能器單元動態(tài)范圍1~104中子探測器需要有較好的探測效率以及良好的本底區(qū)分,高能物理學(xué)會2010年會,29,探測器單元測試,反符合探測器不同閃爍體對帶電粒子探測效率比較電磁量能器閃爍體條衰減長度maPMT動態(tài)范圍（進行中）中子探測器鋰玻璃與3He管效率比較（即將完成）鋰玻璃與3He管綜合探測性能比較（進行中）,高能物理學(xué)會2010年會,30,閃

12、爍體效率,目前計數(shù)：14504/14514(0.9993),最好計數(shù)：4999/5000(0.9998),高能物理學(xué)會2010年會,31,閃爍體衰減長度,高能物理學(xué)會2010年會,32,10cm & 90cm,高能物理學(xué)會2010年會,33,30、50、70cm,高能物理學(xué)會2010年會,34,閃爍體衰減長度擬合得到衰減長度2.87m,高能物理學(xué)會2010年會,35,鋰玻璃效率,高能物理學(xué)會2010年會,36,各種厚度的鋰玻璃測