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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。
【关键词】:宇宙线 伽马射线天文 加速机制 LHAASO实验 KM2A阵列模拟
【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
【目录】:
  • 摘要15-17
  • ABSTRACT17-19
  • 符号说明19-20
  • 第1章 引言20-26
  • 1.1 宇宙线20-23
  • 1.2 论文主要内容及创新点23-26
  • 第2章 高能伽马射线天文概述26-40
  • 2.1 伽马射线的主要产生机制26-30
  • 2.1.1 同步辐射26-27
  • 2.1.2 轫致辐射27-28
  • 2.1.3 逆康普顿散射28-29
  • 2.1.4 π~0衰变29-30
  • 2.2 伽马射线的传播30-32
  • 2.3 伽马射线的探测方法32-40
  • 2.3.1 直接测量33-34
  • 2.3.2 间接测量34-40
  • 第3章 广延大气簇射40-48
  • 3.1 电磁级联簇射40-45
  • 3.1.1 电磁簇射的纵向发展42-44
  • 3.1.2 电磁簇射的横向发展44-45
  • 3.2 强子级联簇射45-48
  • 3.2.1 强子簇射的纵向发展45-46
  • 3.2.2 强子簇射的横向发展46-48
  • 第4章 LHAASO实验48-70
  • 4.1 LHAASO实验介绍48-56
  • 4.1.1 一平方公里阵列49-51
  • 4.1.2 水切伦科夫探测器阵列51-53
  • 4.1.3 广角切伦科夫望远镜阵列53-56
  • 4.2 阵列性能56-65
  • 4.2.1 能量分辨58-60
  • 4.2.2 伽马/质子鉴别60-62
  • 4.2.3 灵敏度估计62-64
  • 4.2.4 1/4 LHAASO-KM2A阵列性能的研究64-65
  • 4.3 LHAASO软件框架的介绍65-69
  • 4.4 小结69-70
  • 第5章 LHAASO实验的物理预期70-100
  • 5.1 超新星遗迹研究71-82
  • 5.1.1 研究现状71-74
  • 5.1.2 研究方法74-78
  • 5.1.3 能谱测量预期78-82
  • 5.2 超级泡研究82-86
  • 5.2.1 研究现状82-84
  • 5.2.2 研究方法84
  • 5.2.3 能谱测量预期84-86
  • 5.3 银盘附近弥散伽马射线研究86-89
  • 5.3.1 研究现状86-89
  • 5.3.2 研究方法89
  • 5.3.3 能谱测量预期89
  • 5.4 河外源研究89-98
  • 5.4.1 研究现状91-96
  • 5.4.2 研究方法96-97
  • 5.4.3 能谱测量预期97-98
  • 5.5 小结98-100
  • 第6章 LHAASO-KM2A探测器模拟研究100-122
  • 6.1 LHAASO-KM2A全模拟100-108
  • 6.1.1 事例产生子100-101
  • 6.1.2 探测器几何构造101-103
  • 6.1.3 物理相互作用103-106
  • 6.1.4 灵敏探测器106-108
  • 6.1.5 事例输出信息108
  • 6.2 LHAASO-KM2A简化模拟的介绍108-114
  • 6.2.1 电磁粒子探测器108-110
  • 6.2.2 μ子探测器110-114
  • 6.3 简化模拟与全模拟结果比较和讨论114-115
  • 6.4 简化模拟程序在LODESTAR下的运行115-119
  • 6.5 小结119-122
  • 第7章 总结与展望122-124
  • 参考文献124-142
  • 附录A LHAASO视场内河外源142-146
  • 附录B KM2A快速模拟程序在LODESTAR中算法示例146-148
  • 附录C KM2A简化模拟程序在LODESTAR中运行示例148-150
  • 攻读博士学位期间发表的论文及其他成果150-152
  • 致谢152-154
  • 学位论文评阅及答辩情况表154

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