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利用ARGO-YBJ模拟读出分辨“膝”区质子 山东大学 曲晓波 2008.4.28 概要 “膝”区物理背景 ARGO-YBJ试验简介 数据模拟和数据筛选 用于分辨“膝”区质子的特征量 分辨效果以及强相互作用模型的影响 原初能量重建 重建“膝”区质子能谱 总结 “膝”区物理背景 宇宙线（来自宇宙空间的质子和原子核）的能谱遵循负幂率规律：dN/dE?∝Eγ，但在能量约为4 PeV附近，宇宙线的全粒子能谱有明显的拐折，幂指数由??-2.7变为??-3.1,形成所谓的“膝”结构，该能区称为“膝”区。 为了解释这一现象，人们从宇宙线的起源、加速和传播机制以及超高能相互作用等方面出发提出了多个理论模型。大多数的模型可以很好地解释实验观测到的宇宙线全粒子谱，但在宇宙线分成分能谱的预言上存在很大的差异 。 因此，“膝”区宇宙线物理研究的关键是对“膝”宇宙线分成分能谱进行实验测量。这就要求宇宙线实验具有分辨“膝”区原初宇宙线成分的能力。 ARGO-YBJ试验简介 中意合作羊八井ARGO实验位于西藏拉萨以北90公里羊八井地区(90o31?50? E，30o06?38? N，海拔高度4310米)，采用大面积阻性板探测器（Resistive Plate Chamber）作其基本探测单元构成的地毯式全覆盖EAS（Extensive Air Shower）阵列，利用当地良好的自然条件及高海拔优势探测小空气簇射事例，进而研究?射线天文、?暴，并在TeV能区测量等。阵列工作能区为100GeV―500TeV，覆盖天区赤纬?范围为-10o?70o。 海拔4310米，正处在“膝”区能量宇宙线发展极大阶段，是研究“膝”区物理的最佳场所。利用羊八井的高海拔地理优势和现有的实验条件，用相对少的投入可以实现分成份的能谱测量，如质子谱，He谱，甚至于铁谱等，从而在实验上提供更多的，更精确的证据，增进对河内、河外宇宙线起源与传播的理解，改善模型的构建。 ARGO-YBJ试验简介 数字读出层在几百TeV时已趋于饱和，不能准确的记录更高能量的簇射中带电粒子的数目。为了使ARGO-YBJ阵列的探测能量范围扩展到“膝”区，在RPC中加入了模拟读出层。 每个RPC中的模拟读出层被平均分成两个读出区域（称为BIG PAD） 数据模拟 应用T. K . Gaisser等在对直接测量结果做拟合时所分的五种成分：质子（Proton），氦核（He），碳氮氧（CNO），镁-硅（Mg-Si），铁核（Fe）。 所用能谱为：在膝区前使用Gaisser等人对直接测量的拟合结果， “膝”区能谱采用poly-gonato（92种成分）的刚度截止模型求出以上五种成分的绝对能谱， 取拐折前后能谱指数固定差值，质子在EZ=4.49PeV处拐折，Δγ=2.1，εc=1.9。其它成分的拐折点为Z×EZ（Z为粒子的电荷数）。 将两能谱在10TeV处归一 。选用两种强相互作用模型（QGSJET-II、SIBYLL） 探测器响应模拟应用ARGOG，增加了对模拟读出层的模拟。抽样面积为100m×100m。 数据筛选 入射芯位在探测阵列之外、探测器边缘的事例，其芯位重建精度较差，而且探测器无法完整的记录这类事例的次级粒子分布。 内部事例:将中央阵列分为两部分，中心6×9 cluster为内部阵列，外围两圈cluster为外部阵列。芯位位于内部阵列的事例定义为内部事例 判选条件: (1)内外部阵列粒子密度比1.11； (2)重建芯位在阵列中心50m×55m范围内； (3)最大击中module在内部阵列内。 挑选效率为:97.67% 后面的分析只应用挑选出来的内部事例。 不同成分簇射的差异 用于分辨“膝”区质子的特征量 平均横向分布宽度R 80%半径R80 芯位区域与R80区域粒子密度之比Ratio80 簇射前锋面斜率Sfront 平均横向分布宽度R 平均横向分布宽度R定义为 其中，Ni为第i个BIG PAD探测到的带电粒子数目；（xi，yi）是第i个BIG PAD在探测器平面上的坐标； (xcore，ycore)是用LIKELIHOOD2方法重建的簇射芯位坐标。 R80与Ratio80 80%半径R80定义为能包含事例中80%带电粒子数的最小圆形区域的半径。 Ratio80: 以簇射的重建芯位为中心2.5m为半径作圆，然后每次半径增加5m作以重建芯位为圆心的同心圆，这些同心圆将簇射靶图划分为多个环带（中心区域为圆），取中心圆区域为芯位区域，80%半径R80所在环带为R80区域。分别计算两个区域的粒子密度，然后取其比值定义为