宇宙線高能光子探測(cè)器初步研究

1、唐志成徐明陳國(guó)明高能物理研究所,宇宙線高能光子探測(cè)器初步研究,高能物理學(xué)會(huì)2010年會(huì),2,暗物質(zhì),高能物理學(xué)會(huì)2010年會(huì),3,暗物質(zhì)探測(cè),高能物理學(xué)會(huì)2010年會(huì),4,暗物質(zhì)湮滅線探測(cè),理論預(yù)言暗物質(zhì)粒子可以通過(guò)湮滅產(chǎn)生單能光子通過(guò)湮滅線探測(cè)暗物質(zhì)具有決定性意義,smoking gun!,高能物理學(xué)會(huì)2010年會(huì),5,中國(guó)空間站,2018,高能物理學(xué)會(huì)2010年會(huì),6,現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)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(cè)仍然缺乏30GeV~4TeV基于電磁量能器的宇宙線 γ 探測(cè)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(huì)2010年會(huì),7,探測(cè)器的基本設(shè)計(jì),反符合探測(cè)器判別入射粒子是否帶電，分辨光子和電子電磁量能器測(cè)量入

3、射粒子的能量，得到能譜中子探測(cè)器測(cè)量簇射過(guò)程中產(chǎn)生的中子，用于鑒別強(qiáng)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(huì)2010年會(huì),8,可探測(cè)性研究,在典型的條件下（3m2sr探測(cè)器，空間站軌道巡天運(yùn)行1年，2%能量分辨率）可探測(cè)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(huì)2010年會(huì),9,可探測(cè)性研究：巡天觀測(cè),最小靈敏流量與探測(cè)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(huì)2010年會(huì),10,可探測(cè)性研究：針對(duì)銀心,高能物理學(xué)會(huì)2010年會(huì),11,探測(cè)器設(shè)計(jì)優(yōu)化,空間實(shí)驗(yàn)資源有限探測(cè)器發(fā)射重量限制在軌電源供應(yīng)有限對(duì)探測(cè)器的限制探測(cè)器體積限制探測(cè)器電子學(xué)道數(shù)限制優(yōu)化設(shè)計(jì)目的：在給定的探測(cè)器限制下給出最好的探測(cè)器性能,高能物

5、理學(xué)會(huì)2010年會(huì),12,探測(cè)器設(shè)計(jì)優(yōu)化,通過(guò)蒙特卡羅模擬各種探測(cè)器參數(shù)（探測(cè)器線度和粒度，探測(cè)器類(lèi)型）對(duì)性能的影響，包括：鎢-閃爍體夾層電磁量能器長(zhǎng)條晶體堆疊電磁量能器反符合探測(cè)器鋰玻璃中子探測(cè)器需要考慮的探測(cè)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(huì)2010年會(huì),13,幾種可能的量能器設(shè)計(jì),高能物理學(xué)會(huì)2010年會(huì),14,面積 1m×1m30 層 ( 30 輻射長(zhǎng)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(huì)2010年會(huì),15,能量分辨率與光子能量關(guān)系,,高能物理學(xué)會(huì)2010年會(huì),16,能量分辨率與探測(cè)器層數(shù)關(guān)系,高能物理學(xué)會(huì)2010年會(huì),17,角度分辨按照5mm閃爍體重建,,高能物理學(xué)會(huì)2010年會(huì),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(shí)別,晶體長(zhǎng)條堆疊量能器,高能物理學(xué)會(huì)2010年會(huì),19,能量分辨率與光子能量關(guān)系，與探測(cè)器層數(shù)的關(guān)系,高能物理學(xué)會(huì)2010年會(huì),20,角度分辨,高能物理學(xué)會(huì)2010年會(huì),21,初步比較,對(duì)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(shí)際測(cè)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(jì)差別不大。另一方面，取樣式量能器探測(cè)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(zhǎng)度的重量耗電量,高能物理學(xué)會(huì)2010年會(huì),22,粒子鑒別: TMVA,TMVA ( Toolkit for MultiVariate Data Analysis ) : 一種通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)方法完成事例識(shí)別的工具集成在 ROOT 軟件里面機(jī)器學(xué)習(xí)方法包括

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

10、底 5000測(cè)試事例信號(hào) 100k本底 1M本底通過(guò)率7x10-4(保持90% 信號(hào)事例),高能物理學(xué)會(huì)2010年會(huì),27,粒子鑒別：中子探測(cè)分辨強(qiáng)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(lán)色為電子事例,90% em shower,高能物理學(xué)會(huì)2010年會(huì),28,探測(cè)器單元測(cè)試,高性能的探測(cè)器需要高性能的探測(cè)元件電子鑒別：需要VETO

11、探測(cè)器對(duì)MIP探測(cè)效率達(dá)到0.9999從MIP到TeV能量的入射光子：要求量能器單元?jiǎng)討B(tài)范圍1~104中子探測(cè)器需要有較好的探測(cè)效率以及良好的本底區(qū)分,高能物理學(xué)會(huì)2010年會(huì),29,探測(cè)器單元測(cè)試,反符合探測(cè)器不同閃爍體對(duì)帶電粒子探測(cè)效率比較電磁量能器閃爍體條衰減長(zhǎng)度maPMT動(dòng)態(tài)范圍（進(jìn)行中）中子探測(cè)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(cè)性能比較（進(jìn)行中）,高能物理學(xué)會(huì)2010年會(huì),30,閃

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