От установки Тунка-133 к гамма-телескопу Тунка

От установки Тунка к
гамма-телескопу
Тунка- HiSCORE:
Кузьмичев Л.А. (НИИЯФ МГУ)
от коллаборации Тунка
Зацепинские чтения,
ФИАН, 7 июня 2013
План доклада
1. Тунка-133 – статус 2013 и основные результаты :
Энергетический спектр
Массовый состав
Сцинтилляционные детекторы
Поиск гамма-квантов высоких энергий
2. Гамма-астрономия высоких энергий – главные
проекты
3. Гамма-телескоп Тунка-HiSCORE.
-
Основные направления исследований.
Методика регистрации и реконструкции событий.
Конструкция установки.
.Первые результаты
Установка Тунка-133:
175 оптических детектора на 3
1 км
2
км
Энергетический спектр ( за 3 сезона)
.
The power law index at E0>1017 is
similar to that obtained by the
Giant Experiments:
TA, HiRes, Auger.
Сравнение с другими экспериментами
.
1.
2.
Agreement with
KASCADE-Grande
Agreement with old Fly’s
Eye, HiRes and TA spectra.
<Xmax> vs. E0
Agreement with HiRes-MIA and Auger results at 1017 – 1018 eV
EXPERIMENT: MEAN <lnA> vs. E0
ANALYSIS of Xmax DISTRIBUTION
Fit with weighted sum of 4 group MC simulated distributions: Fe, CNO, He, p
Energy spectrum of these group : will be presented at ICRC-2013
Сцинтилляционные детекторы
Сцинтилляционная
пластина
(800х800х40)
Конус
ФЭУ XP3462
384 комплекта
Сцинтилляционные
детекторы
Наземные станции
Подземные станции
Поиск гамма-квантов высоких
энергий
1. 5 1016 - 5 1017 эВ - только с помощью сцинтилляторов
Безмюонные ливни ШАЛ-МГУ ?
Гамма-кванты от распада космологических фотонов ( Рубцов и др)
2. 1015 - 1016 эВ черенковская установка + мюонные детектор
Диапазон 1 – 10 ПэВ
If IceCube see PeV Galactic neutrino
then we should see PeV gamma -rays
E ·F(>E)
~3 10 -11 erg / cm2 sec
28 events
Fop et al : arXiv: 1305.6606
With muon ( 2º)
Only cascade ( 15 º)
Flux from one source:
E ·F(>E) ~ 10 -12 erg / cm2 sec
200
 EAS,  = 40
13
E0 = 310 eV
o
200-600 muons for 30 TeV
for pronots
No. events
150
100 times more muons
for 3 Pev
100
 EAS,  = 0
50
o
p EAS,  = 40
o
p EAS,  = 0
0
0
100
200
300
400
500
With 100 m2 muon detectors
o
600
700
800
2-6 muons – possible to
separate gamma from proton
N
1. Decreasing Tunka-133 energy thershold ( changing plex)
2. Increasing accuracy of Tunka clusters synchronization
Increasing accuracy of angle reconstruction
Гамма-астрономия высоких энергий
132 ТэВных источника
1873 ГэВных источника
Проекты (высокие энергии)
Международные:
1. CTA ( 2017-18) - ~150 млн. Евро (?)
2. HAWC (2014) - ~30 млн. долларов
3. LAWCA (2015) ~ 30 млн. долларов
3. LHAASO (2013-2018) ~150 млн. долларов
Российские:
1. Тунка- HiSCORE
2. 5@5 (А.М.Быков и др.)
Для исследования диапазона энергий >20-30 ТэВ нужны широкоугольные
установки с площадью 10 -100 км2 . Проект Тунка- HiSCORE показывает
как можно сделать такую установку в разумное время и за разумные деньги
Тunka-HiSCORE : wide-angle Cherenkov
gamma-observatory
Area : from 1 to 100 km2
HiSCORE – Hundred* i Square-km Cosmic
Origin Explorer
FOV ~ 0.6 ster
( ± 30° )
Energy threshold ~ 20 TeV
Total cost ~ 50 ·106 Euro
Collaboration
Tunka-HiSCORE
Germany
Hamburg University(Hamburg)
DESY (Zeuthen)
MPI (Munich)
Russia
MSU( SINP)( Moscow)
ISU (API) (Irkutsk)
INR RAS (Moscow)
IZMIRAN (Troitsk)
JINR (Dubna)
MEPHI (Moscow)
ASU (Barnaul)
IKFIA(Yakutsk)
Main Topics
Gamma-ray Astronomy
Search for the PeVatrons.
VHE spectra of known sources: where do they stop?
Absorption in IRF and CMB.
Diffuse emission: Galactic plane, Local supercluster.
Charged cosmic ray physics
Energy spectrum and mass composition from 1014 to1018 eV.
107 events (in 1 km2 array) with energy > 1014 eV per one season (400 hours).
Particle physics
Axion/photon conversion.
Hidden photon/photon oscillations.
Lorentz invariance violation.
pp cross-section measurement.
Quark-gluon plasma.
Методика регистрации
и реконструкции событий
Methodical approaches for 3 stages
1. Shower front and LDFsampling technique (at the first stages).
Angular resolution – 0.1 deg,
Xmax measurement for hadron rejection.
2. Using of small mirrors net with cheap matrix of PMTs for imaging
technique.
3. Using of large area muon detectors for hadron rejection.
Tunka-HiSCORE – 1 km2
1 stage
150 m
9352KB
8’’, ET
Энергетический порог черенковских установок
Черенковкий импульс на световом фоне
ночного неба
S – площадь ФЭУ
д
T
Сигнал
=
шум
Sд• Pф •
 • Sд • Iф  • T
Pф ~ E - энергия
Eпор ~
 Iф•  • T
 Sд • 
5
- квантовая
эффективность.
Pф – поток черенковских
фотонов
T - длительность импульса
 - угловая апертура
Iф – фон ночного неба
 2.1012
Для Sд ~ 0.1 м2 и 0.1 : Eпор  100 ТэВ
фотон
м2 сек 1
Пути понижения порога
Eth ~ ( Sdet. η)-1/2 (Tsignal )1/2
1. Использование конусных светосборников - площадь ФЭУ увеличивается
в 4 раза
( K = 1/ sin2 (tet)
tet=30° - K =4 )
2. Аналоговое суммирование сигналов в одной станции S увеличивается
в n раз ( n – число ФЭУ в станции) n =4
3. Уменьшение Tsignal до 7-10 нс
4. QE max = 35-40%
5. Увеличение чувствительности ФЭУ к ультрафиолетовому свету - покрытие
шифтерами - в 1.5 -2 раза.
Угловое разрешение
E = 25 TeV
Джиттер в 1 нс – 0.1 град ( база в 150 м)
для плоского фронта
Фронт – конусный – угол раствора
179 град – без определения оси
ливня точность около 1 град.
Восстановление угла только по временам при
фиксированном угле конуса ( установка Themistocle)
по 5 детекторам.
Узкоугольный ( FOV -0.05 стер) черенковкий
детектор
Один ФЭУ (20 см диаметра) или
Матрица ФЭУ
Угол обзора ±7-10 градусов
Зеркало, площадь 2 м2
Ожидаемая
стоимость: ~ 0.5 млн.
руб за станцию
(зеркало + механика
слежения)
Фрагмент зеркала на основе
пенополиуретана для детектора (ОИЯИ)
Tunka-HiSCORE – 1 km2
stage 3: 10000 m2 muon detectors
(1% of array area)
200
 EAS,  = 40
N, events
150
13
E0 = 3 10 eV
o
30 TeV proton – 2-6 muons
100
50
 EAS,  = 0
o
p EAS,  = 40
o
p EAS,  = 0
0
0
100
200
300
400
500
600
o
700
800
N
Rejection of hadron background
by 10 times at 20-30 TeV
Scintillation detectors developed in Mephi
Конструкция установки
1. Оптическая станция
2. Система сбора
Оптическая станция гамма-телескопа
Фотоумножитель
1. R5912 (Hamamatsu) ( 8’’)
QE max - 23-25%
2. 9352 KB (Electron Tube) (8’’)
6 динодов
Диноды из CuBe
Цена 1300 евро, 1000 ФЭУ в год
3. R7081 (10”) QE max - 35-40%
5000 евро
4. R11780 ( 12’’) QE max - 35-40%
сейчас – 10000 евро , будет
снижена до 5000 евро
5. В настоящее время обсуждается
также возможность производства
фотоумножителя с полусферическим
фотокатодом большой площади
на предприятии МЭЛЗ-ФЭУ в Москве.
Современное состояние
3 станции с осени 2012
200 m
3
150 m
Станции
Гамма-телескопа
2
1
4
150
150
Calibration
light source
4 PMTs
Station
Electronics
Интегральный темп счета станции : 5 Гц
Расчет :
Q eff = 0.07
T = 25 нс
Q eff = 0.07
Q мах = 0.16
1
2
100 TeV
30 TeV
1 : Q eff =0.07
T =25 ns
2: Q eff =0.10
T=10 ns
Tunka-HiSCORE – 1km2
2 stage
600 mm
150 m
R11780 12’’
или R7081 10”
Hamamatsu
N hit≥ 5 detectors
Efficiency
100%
20 TeV
1-st stage
50 TeV
10%
2 stage
1%
Tunka-HiSCORE – 1km2
2’ stage
600 mm
150 m
300 m
Installing
matrix of
PMT,
Image technique
2 m 2 mirror,
±7º FOV,
Tunka-HiSCORE:
50 events or 5 RMS,
T = 500 hours
1
4
LHAASO:
50 events or 5 RMS
1 year
2
3
5
1 – 1 km2, 4 PMTs per station ( 8’’ PMT)
2 – 1 km2, + additional station ( 10” PMT
+ net of mirrors
(S = 2 m2, ±7-10° FOV, without imaging)
2’ – mounting of matrix in each mirror
(not yet simulated)
3 – 104 m2 muon detectors
4 – 10 km2 , 4 PMTs per station ( 8’PMT)
for 12’’ PMT (not yet simulated)
5 – 100 km2 (8’’ PMT)
Tunka-HiSCORE: 50 events or 5 RMS, T = 500 hours
1
Casa-mia
4
2
3
5
IceCube
neutrino
Спасибо за
внимание