Черенковский эксперимент в высокогорной воде - High Altitude Water Cherenkov Experiment

HAWC 14 августа 2014 г.

В Черенковский эксперимент в высокогорной воде или Высотная водная Черенковская обсерватория (также известен как HAWC) это гамма-луч и космический луч обсерватория расположен на флангах Сьерра-Негра вулкан в мексиканском штате Пуэбла на высоте 4100 метров, на 18 ° 59′41 ″ с.ш. 97 ° 18′30,6 ″ з.д. / 18,99472 ° с.ш.97,308500 ° з.д. / 18.99472; -97.308500. HAWC является преемником Milagro гамма-обсерватория в Нью-Мексико, которая также была гамма-обсерваторией, основанной на принципе обнаружения гамма-лучей косвенно с использованием воды. Метод Черенкова.

HAWC - это совместное сотрудничество большого количества Американец и Мексиканский университеты и научные учреждения, в том числе Университет Мэриленда, то Национальный автономный университет Мексики, то Национальный институт астрофизики, оптики и электроники, Лос-Аламосская национальная лаборатория, НАСА /Центр космических полетов Годдарда, то Калифорнийский университет в Санта-Крус, Мичиганский технологический университет, Университет штата Мичиган, Benemérita Universidad Autónoma de Puebla, то Universidad de Guadalajara, то Университет Юты, то Университет Нью-Мексико, то Университет Висконсина-Мэдисона и Технологический институт Джорджии.[1]

HAWC с Пико де Орисаба на заднем плане, август 2014 г.

Обзор

Гамма-обсерватория HAWC - это широкий поле зрения, непрерывно работающий, ТэВ гамма-телескоп, исследующий происхождение космические лучи, изучать ускорение частиц в экстремальных физических средах и искать новую физику ТэВ. HAWC был построен на высоте 4100 м над уровнем моря в Мексике при сотрудничестве 15 американских и 12 мексиканских институтов, и он эксплуатируется при финансовой поддержке США. Национальный научный фонд, Соединенные штаты Департамент энергетики и КОНАСИТ (Агентство финансирования науки Мексики). HAWC был завершен весной 2015 года и состоит из набора из 300 черенковских детекторов воды. Он спроектирован так, чтобы быть более чем на порядок чувствительнее своего предшественника Milagro.

HAWC наблюдает за северным небом и проводит параллельные наблюдения с другими обсерваториями с широким полем обзора. HAWC пересекаются с обсерваториями, такими как ВЕРИТАС, HESS, МАГИЯ, Кубик льда и позже, CTA, так что они могут делать перекрывающиеся многоволновые наблюдения и наблюдения с несколькими мессенджерами и максимально увеличивать количество совпадающих наблюдений с Космический гамма-телескоп Ферми (Ферми).

HAWC имеет возможность обнаруживать большой ансамбль источников гамма-излучения - измеряя их спектры и изменчивость, чтобы характеризовать механизмы ускорения в масштабе ТэВ. В рамках годичного исследования HAWC может провести глубокий объективный обзор гамма-излучения ТэВ с 50 mCrab чувствительность на 5σ. HAWC будет строго соблюдатьспектр (высокие энергии фотонов) Галактические источники в ТэВ с чувствительностью, аналогичной чувствительности Ферми в ГэВ, обнаруживают диффузное излучение из областей Галактический самолет, иметь чувствительность, чтобы видеть известные ТэВ активные галактические ядра и самая яркая из известных ГэВ гамма-всплески, и представляет собой достаточно большой шаг в чувствительности для открытия новых явлений. Поскольку HAWC имеет 2 стерадиан мгновенного поля зрения, он будет наблюдать диффузное гамма-излучение из плоскости галактики в широком диапазоне галактические долготы достигнув галактического центра.

В сентябре 2015 года грант на лабораторные исследования и разработки был присужден Бренда Дингус Национальной лаборатории Лос-Аламоса, чтобы улучшить эффективную площадь и чувствительность HAWC, добавив массив выносных резервуаров, окружающих более крупные центральные резервуары. Из-за большего размера ливней частиц, создаваемых космическими лучами высокой энергии, увеличение площади детектора увеличит его чувствительность. Было предсказано, что аутригеры увеличат чувствительность и эффективную площадь HAWC в 2-4 раза для частиц с энергией выше 10 ТэВ. Установка аутригеров была завершена в начале 2018 года, на год позже, чем ожидалось.[2]

Принцип действия

HAWC обнаруживает электромагнитное излучение от воздушные души производятся космическими лучами высокой энергии, которые попадают в атмосферу Земли. HAWC чувствителен к ливням, создаваемым первичными космическими лучами с энергией от 100 ГэВ до 50 ТэВ.

Черенковское излучение происходит, когда заряженные частицы движутся через среду со скоростью, превышающей скорость скорость света в этой среде. Гамма-лучи высокой энергии, попадая в верхние слои атмосферы, могут создавать позитрон -электрон пары которые движутся с огромной скоростью. Остаточный эффект движения этих частиц через атмосферу может привести к каскадному ливню частиц и фотонов, направленных к поверхности под предсказуемыми углами.

HAWC Tank Sketch.png HAWC Bladder.png

HAWC состоит из больших металлических резервуаров, шириной 7,3 м и высотой 5 м, содержащих светонепроницаемую камеру, вмещающую 188 000 литров воды. Внутри четыре фотоумножитель трубки (3-8 дюймов и 1-10 дюймов с высоким QE). Частицы высокой энергии, падающие на воду, приводят к черенковскому свету, который регистрируется фотоэлектронными умножителями. HAWC использует разницу во времени прихода света в разные резервуары для измерения направления первичной частицы. Форма света позволяет различать первичные (адроны ) и гамма-лучи. Исходя из этого, ученые могут составить карту неба с помощью гамма-лучей.

Крупный план танков HAWC. Каждый бак содержит около 188 000 литров воды и четыре фотоумножителя.

Цели производительности

HAWC будет:

  • Обнаружение большой выборки локализованных источников гамма-излучения и измерение их спектров и изменчивости для характеристики механизмов ускорения в масштабе ТэВ от ансамбля источников.
  • Получите чувствительность 50 mCrab при 5σ за годовой опрос. HAWC будет наблюдать галактические источники с жестким спектром при энергиях ТэВ с чувствительностью, аналогичной чувствительности Космический гамма-телескоп Ферми при энергиях ГэВ, обнаруживать диффузное излучение из областей плоскости Галактики, иметь чувствительность, чтобы видеть известные активные галактические ядра (AGN) ТэВ и самые яркие известные гамма-всплески (GRB) ГэВ, и представляет собой достаточно большой шаг в чувствительности, чтобы, вероятно, обнаружить новые явления.
  • Измерьте спектр и пространственно охарактеризуйте диффузное излучение в ТэВ от галактики Млечный Путь, чтобы исследовать поток космических лучей в других регионах галактики.
  • Наблюдайте за внегалактическими транзиентными источниками, такими как гамма-всплески и AGN, и незамедлительно уведомляйте других наблюдателей, чтобы они могли проводить многоволновые наблюдения и наблюдения с несколькими мессенджерами.
  • Проведите глубокий, беспристрастный обзор гамма-излучения и космического неба в ТэВ, чтобы понять астрофизические источники ТэВ в достаточной степени для поиска новых фундаментальных физических эффектов.
  • Иметь мгновенное поле зрения 2 стерадиана (sr), чтобы можно было наблюдать диффузное гамма-излучение из плоскости Галактики в широком диапазоне галактических долгот, достигающих центра Галактики. Это широкое поле зрения также позволяет HAWC наблюдать такие явления, как гамма-всплески, которые встречаются редко, с неизвестных направлений и длятся всего несколько секунд. Таким образом, HAWC может обнаруживать новые источники ТэВ и наблюдать вспышки в известных источниках, которые могут не иметь аналогов с низкой энергией, то есть бесхозные ТэВ-вспышки от AGN, которые являются признаками адронного ускорения.
  • Работайте не менее пяти лет с рабочим циклом> 90%, что обеспечит достаточную экспозицию для измерения малых потоков при более высоких энергиях и достаточно длительное время для обнаружения и контроля различных источников переходных процессов.
  • Есть медиана энергия ниже 1 ТэВ для крабоподобного спектра, необходимого для наблюдения внегалактических источников, которые ослабляются при высоких энергиях за счет образования пар с межгалактическими фотонами.
  • Обеспечьте подавление адронного фона> 95% для E> 10 ТэВ, отличая проникающие частицы в фоновых ливнях, инициированных адронами, от электромагнитных ливней, инициированных гамма-лучами.
  • Иметь угловое разрешение <0,5о для E> 1 ТэВ и 0,25о для E> 10 ТэВ. Это разрешение улучшает чувствительность HAWC к потоку за счет отказа от изотропного фона и обеспечивает локализацию источника, достаточную для нацеливания другими детекторами и для определения пространственной морфологии источника. HAWC может также обнаружить расширенные источники, которые могут вызвать глубокие наблюдения IACT.

Научные цели

Галактические источники при высоких энергиях

Происхождение космического излучения было загадкой с момента его открытия Виктор Гесс в 1912 году. Энергетический спектр космических лучей простирается от нескольких ГэВ до более 1020 эВ. Пока нет экспериментальных доказательств перехода от галактических космических лучей к внегалактическим, хотя считается, что космические лучи ниже 1017.5 эВ имеют галактическое происхождение. Хотя существует консенсус, что взрывы сверхновых звезд (СН) ускоряют космические лучи до энергий ~ 1015 эВ, экспериментальные доказательства получить трудно. Теоретические аргументы основаны на том, что энергия, выделяемая в SN, достаточна для поддержания наблюдаемых космических лучей в Галактике, а также на создании сильных ударных волн сверхновой, обеспечивающих ускорение Ферми первого порядка. Таким образом, задачи будущих экспериментов состоят в том, чтобы подтвердить, что сверхновые - это места ускорения адронных космических лучей до колена, и определить источники галактических космических лучей выше 1015 эВ.

Галактическое диффузное излучение

Рассеянное гамма-излучение нашей Галактики также исследует происхождение космических лучей. Это излучение обусловлено взаимодействием адронных космических лучей с межзвездным газом и последующим распадом нейтральных пионов, а также взаимодействием высокоэнергетических электронов с газом и полями излучения (радио-, микроволнового, инфракрасного, оптического, УФ и магнитного). Если распределение вещества и излучения известно из других измерений, знание диффузного излучения позволяет измерить поток и спектр космических лучей по всей Галактике. Эта информация может быть использована для определения областей в Галактике, где недавно произошло ускорение частиц.

Переходное излучение от AGN и краба

Более 20 Активные ядра галактик (AGN) были обнаружены в гамма-лучах очень высоких энергий (VHE), и наблюдались экстремальные вспышки, в 50 раз превышающие поток в состоянии покоя. Гамма-лучи образуются в результате взаимодействия электронов и / или протонов высоких энергий с фотонами более низких энергий. Существует несколько моделей, объясняющих источник фотонов, в том числе: синхротрон излучение одной и той же популяции электронов, излучение аккреционный диск, и космический микроволновый фон фотоны. Чтобы различать эти модели, требуются одновременные наблюдения с использованием нескольких длин волн и подходов с несколькими мессенджерами. Мониторинг при энергиях VHE является эффективным механизмом для инициирования таких наблюдений, потому что гамма-лучи с самой высокой энергией демонстрируют наиболее высокую изменчивость и исследуют частицы с самой высокой энергией. HAWC будет обладать чувствительностью для обнаружения сильных вспышек, таких как те, которые наблюдались с Маркарян 421, при более чем 10σ менее чем за 30 минут.

Гамма-всплески

Спутник Ферми теперь наблюдал как длинные, так и короткие гамма-всплески которые излучают гамма-лучи с энергией нескольких ГэВ. Ни в одном из этих гамма-всплесков не наблюдается высокоэнергетического обрезания, а гамма-лучи наивысшей энергии, наблюдавшиеся в трех самых ярких всплесках, испускались (т.е. с поправкой на наблюдаемые красное смещение ) при энергиях 70, 60, 94 и 61 ГэВ в гамма-всплесках 080916C, 090510, 090902B и 090926 соответственно. Гамма-излучение наивысшей энергии требует большого объема Фактор Лоренца истечения около 1000, чтобы энергии системы отсчета и плотности фотонов были достаточно низкими, чтобы избежать ослабления из-за взаимодействий при рождении пар. Наблюдения Fermi-LAT показывают, что наиболее интенсивное излучение ГэВ происходит быстро, а также длится дольше, чем излучение при более низких энергиях. Обсерватория с высоким коэффициентом заполнения, такая как HAWC, с широким полем зрения требуется для наблюдения за этим мгновенным излучением и определения его протяженности при высоких энергиях, особенно для всплеска, такого как 090510, в котором мгновенное излучение длилось менее полсекунды .

HAWC обладает достаточной чувствительностью, чтобы продолжить эти наблюдения в диапазоне VHE. Эффективная площадь HAWC при 100 ГэВ (~ 100 м2) более чем в 100 раз больше, чем у Fermi-LAT.

Космические лучи при энергиях ТэВ

HAWC - очень чувствительный детектор космических лучей ТэВ. Большое количество космических лучей, обнаруженных с помощью HAWC, создает нежелательный фон для поиска источников гамма-излучения, но также позволяет точно измерять небольшие отклонения от изотропии в потоке космических лучей. За последние несколько лет детекторы космических лучей в северном и южном полушарии обнаружили анизотропию в распределении направлений прихода космических лучей ТэВ на уровне промилле. Поскольку мы ожидаем, что направления прибытия заряженных частиц с этими энергиями будут полностью искажены галактическими магнитными полями, эти отклонения удивительны и подразумевают, что распространение космических лучей от их источников до нас не понимается. Составление карты распределения космических лучей по направлению прихода для изучения анизотропии с повышенной чувствительностью является основной научной целью HAWC.

Фундаментальная физика

Астрофизические наблюдения высоких энергий обладают уникальным потенциалом для изучения фундаментальной физики. Однако вывод фундаментальной физики из астрофизических наблюдений сложен и требует глубокого понимания астрофизических источников. Необходимо понять основы астрофизики, чтобы определить отклонения от этого фона из-за новой физики. В некоторых случаях астрономы могут помочь с пониманием астрофизического фона, например, используя сверхновые в качестве стандартных свечей для измерения темной энергии. Однако физикам, занимающимся высокими энергиями, придется обнаруживать и объяснять астрофизические явления высоких энергий, чтобы вывести фундаментальную физику. Глубокий обзор гамма-излучения ТэВного неба HAWC предоставит объективную картину, необходимую для характеристики свойств астрофизических источников с целью поиска новых фундаментальных физических эффектов. Примеры расследований HAWC включают:

  1. Ограничение существования поблизости темная материя. Беспристрастный обзор 2π sr ТэВного неба HAWC позволяет искать известные и неизвестные карликовые сфероидальные спутники нашей галактики. Число спутников увеличивается с уменьшением массы, поэтому могут быть очень близкие сгустки темной материи, которые, следовательно, будут иметь более высокие потоки гамма-излучения, но могут не иметь оптических аналогов. Известные карликовые сфероидальные галактики имеют протяженность до ~ 1 градуса, что хорошо согласуется с угловым разрешением HAWC <0,5.о. Суммарный анализ этих спутников улучшил бы предел, потому что все они будут иметь одинаковые спектры гамма-излучения.
  2. Тестирование Лоренц-инвариантность с наблюдениями нестационарного гамма-излучения. Много квантовая гравитация теории предсказывают, что скорость света зависит от энергии фотона как: Δc / c = - (E / MQGn)п где n = 1 или 2. Хотя MQG может быть Планковская масса (2,4x1018 ГэВ), некоторые теории предсказывают гораздо меньшие масштабы масс. Для теорий, где n = 1, коллаборация Fermi-LAT установила пределы, превышающие массу Планка, и HAWC будет иметь аналогичную чувствительность, если будет обнаружен гамма-всплеск. Для теорий, где n = 2, более высокая энергетическая чувствительность HAWC приведет к ограничению примерно на порядок большей массы, чем это возможно с Fermi-LAT.
  3. Измерение ослабления астрофизических источников из-за взаимодействия с внегалактический фоновый свет (EBL). HAWC позволит наблюдать несколько источников в различных состояниях вспышки, чтобы понять собственный спектр ТэВ. Текущие ограничения на EBL делают консервативное предположение об очень жестком собственном спектре и очень близки к максимально разрешенному по подсчетам галактик. Эти наблюдения привели к постулатам о существовании аксионы чтобы уменьшить ослабление ТэВ-излучения от EBL.
  4. Поиск экзотических сигналов, таких как массивные реликтовые частицы, например суперсимметрия Q-шары, и тау нейтрино. Будут разработаны специальные триггеры, позволяющие HAWC искать медленно движущиеся Q-шары с высоким dE / dx и горизонтальные атмосферные ливни, создаваемые тау-нейтрино, взаимодействующими в близлежащей горе.

Финансирование HAWC

Строительство и эксплуатация HAWC финансируется совместно США. Национальный научный фонд, Соединенные штаты. Департамент энергетики Управление физики высоких энергий и Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACyT) в Мексике и программу лабораторных исследований и разработок (LDRD) Национальной лаборатории Лос-Аламоса.

Другими значительными источниками финансирования являются:

  • Red de Física de Altas Energías, Мексика
  • DGAPA-UNAM, Мексика, гранты IN105211, IN112910, IN121309, IN115409 и IA102715
  • VIEP-BUAP, Мексика, грант 161-EXC-2011
  • Фонд исследований выпускников Университета Висконсина, США
  • Институт геофизики, планетной физики и сигнатур (IGPPS) в Лос-Аламосской национальной лаборатории (LANL), США
  • Университет Мэриленда, США

Результаты

В 2017 году HAWC объявила о первом измерении спектра космических лучей.[3] и новые результаты о наблюдаемом избытке позитронов антивещество.[4]

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ http://www.hawc-observatory.org/collaboration/
  2. ^ http://www.hawc-observatory.org/news/
  3. ^ «Первое измерение спектра космических лучей с помощью HAWC | WIPAC». wipac.wisc.edu. Получено 2018-07-17.
  4. ^ Мандельбаум, Райан Ф. «Новые загадочные результаты не могут объяснить, почему на Землю попадает столько антиматерии». Gizmodo. Получено 2018-07-17.

внешние ссылки