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《山东大学》 2017年
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LHAASO-KM2A阵列模拟及LHAASO实验物理预期的研究

刘烨  
【摘要】:自上世纪初发现宇宙线以来,宇宙线之起源、加速和传播等问题一直是宇宙线研究的基本问题。高能伽马射线携带天体源的信息,是探索宇宙线起源的重要探针。随着探测技术的发展,卫星实验已经发现3000多个GeV伽马射线源,地面切伦科夫望远镜阵列发现了200多个TeV伽马射线源,标志着伽马射线天文发展到了一个新阶段。高能伽马射线既可以由轻子加速产生也可以通过强子加速产生。现有实验对伽马射线测量局限于1OTeV以下,对几十TeV以上乃至IPeV的伽马射线能谱尚无观测结果,因此不足以认证宇宙线源。由于受到Klein-Nishina效应影响的轻子加速很难产生能量在100TeV以上的伽马射线,而强子加速则可以产生100TeV以上伽马射线,因此精确测量几十TeV到PeV的伽马射线有助于人们对宇宙线的加速机制和起源做出有效判断。高海拔宇宙线观测站(LHAASO)是我国科学家自主提出的下一代宇宙线探测器阵列,位于海拔4410米的四川稻城海子山。LHAASO实验是一个复合型EAS阵列,主要由KM2A、WCDA和WFCTA这三个子阵列组成。KM2A作为LHAASO实验的主体阵列,占地面积一平方公里,观测能量范围为10TeV-20PeV。本文以KM2A阵列为分析对象,优化其阵列性能。从研究结果中看到KM2A阵列是世界上在超高能区灵敏度最高的探测器阵列,其能量分辨率、本底排除能力及灵敏度在50TeV以上分别为23%、10-4和1%Icrab。LHAASO的主要科学目标之一是精确测量300GeV到20PeV的伽马射线能谱及探索高能宇宙线起源。本文针对LHAASO实验的科学目标,选取超新星遗迹、超级泡、弥散伽马射线及活动星系核进行研究,利用不同加速模型给出LHAASO实验观测预期,这一结果尤其是对30TeV以上能谱的预期将为我们评判超高能伽马辐射机制提供重要依据,为研究宇宙线起源奠定基础。LHAASO-KM2A的全模拟程序以Geant4为基础,细致模拟了广延大气簇射粒子进入KM2A后探测器的响应,其缺点在于产生模拟事例会消耗太多时间,因而无法满足实验对海量模拟数据的需求。本文以KM2A阵列全模拟为基础,开发出一套提高程序运行速度的简化模拟方法,并且简化模拟结果与全模拟结果有较好的符合,验证了简化模拟的可靠性和可行性。这一研究将为LHAASO阵列模拟的大数据产生做好准备,进而为实验数据的理解提供重要依据。此外,KM2A简化模拟在LHAASO软件框架中的成功运行,为LHAASO实验中三个子阵列共同分析实验数据打下坚实的基础。
【学位授予单位】:山东大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:O572.212

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>刘烨 >王旭
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