利用argo-ybj模擬讀出分辨膝區(qū)質(zhì)子-中國科學(xué)院高能物理研究所

1、利用ARGO-YBJ模擬讀出分辨“膝”區(qū)質(zhì)子,山東大學(xué)曲曉波2008.4.28,概要,“膝”區(qū)物理背景ARGO-YBJ試驗簡介數(shù)據(jù)模擬和數(shù)據(jù)篩選用于分辨“膝”區(qū)質(zhì)子的特征量分辨效果以及強相互作用模型的影響原初能量重建重建“膝”區(qū)質(zhì)子能譜總結(jié),“膝”區(qū)物理背景,宇宙線（來自宇宙空間的質(zhì)子和原子核）的能譜遵循負冪率規(guī)律：dN/dE?∝Eγ，但在能量約為4 PeV附近，宇宙線的全粒子能譜有明顯的拐折，冪指數(shù)由??-2.7變

2、為??-3.1,形成所謂的“膝”結(jié)構(gòu)，該能區(qū)稱為“膝”區(qū)。為了解釋這一現(xiàn)象，人們從宇宙線的起源、加速和傳播機制以及超高能相互作用等方面出發(fā)提出了多個理論模型。大多數(shù)的模型可以很好地解釋實驗觀測到的宇宙線全粒子譜，但在宇宙線分成分能譜的預(yù)言上存在很大的差異 。 因此，“膝”區(qū)宇宙線物理研究的關(guān)鍵是對“膝”宇宙線分成分能譜進行實驗測量。這就要求宇宙線實驗具有分辨“膝”區(qū)原初宇宙線成分的能力。,,中意合作羊八井ARGO實驗位于西藏拉薩以北

3、90公里羊八井地區(qū)(90º31?50? E，30º06?38? N，海拔高度4310米)，采用大面積阻性板探測器（Resistive Plate Chamber）作其基本探測單元構(gòu)成的地毯式全覆蓋EAS（Extensive Air Shower）陣列，利用當?shù)亓己玫淖匀粭l件及高海拔優(yōu)勢探測小空氣簇射事例，進而研究?射線天文、?暴，并在TeV能區(qū)測量等。陣列工作能區(qū)為100GeV―500TeV，覆蓋天區(qū)赤緯?范圍為-1

4、0º<?<70º。海拔4310米，正處在“膝”區(qū)能量宇宙線發(fā)展極大階段，是研究“膝”區(qū)物理的最佳場所。利用羊八井的高海拔地理優(yōu)勢和現(xiàn)有的實驗條件，用相對少的投入可以實現(xiàn)分成份的能譜測量，如質(zhì)子譜，He譜，甚至于鐵譜等，從而在實驗上提供更多的，更精確的證據(jù)，增進對河內(nèi)、河外宇宙線起源與傳播的理解，改善模型的構(gòu)建。,ARGO-YBJ試驗簡介,ARGO-YBJ試驗簡介,數(shù)字讀出層在幾百TeV時已趨于飽和，不能

5、準確的記錄更高能量的簇射中帶電粒子的數(shù)目。為了使ARGO-YBJ陣列的探測能量范圍擴展到“膝”區(qū)，在RPC中加入了模擬讀出層。每個RPC中的模擬讀出層被平均分成兩個讀出區(qū)域（稱為BIG PAD）,North,數(shù)據(jù)模擬,應(yīng)用T. K . Gaisser等在對直接測量結(jié)果做擬合時所分的五種成分：質(zhì)子（Proton），氦核（He），碳氮氧（CNO），鎂-硅（Mg-Si），鐵核（Fe）。所用能譜為：在膝區(qū)前使用Gaisser等人對直接測量的

6、擬合結(jié)果， “膝”區(qū)能譜采用poly-gonato（92種成分）的剛度截止模型求出以上五種成分的絕對能譜， 取拐折前后能譜指數(shù)固定差值，質(zhì)子在EZ=4.49PeV處拐折，Δγ=2.1，εc=1.9。其它成分的拐折點為Z×EZ（Z為粒子的電荷數(shù)）。 將兩能譜在10TeV處歸一 。選用兩種強相互作用模型（QGSJET-II、SIBYLL）

7、探測器響應(yīng)模擬應(yīng)用ARGOG，增加了對模擬讀出層的模擬。抽樣面積為100m×100m。,數(shù)據(jù)篩選,入射芯位在探測陣列之外、探測器邊緣的事例，其芯位重建精度較差，而且探測器無法完整的記錄這類事例的次級粒子分布。內(nèi)部事例:將中央陣列分為兩部分，中心6×9 cluster為內(nèi)部陣列，外圍兩圈cluster為外部陣列。芯位位于內(nèi)部陣列的事例定義為內(nèi)部事例判選條件: (1)內(nèi)外部陣列粒子密度比>1.1

8、1； (2)重建芯位在陣列中心50m×55m范圍內(nèi)； (3)最大擊中module在內(nèi)部陣列內(nèi)。挑選效率為:97.67% 后面的分析只應(yīng)用挑選出來的內(nèi)部事例。,不同成分簇射的差異,,Primary: Proton, IronEnergy: 200TeVVertical incidentCore hit array center,,m,用于分辨“膝”區(qū)質(zhì)子的特征量,平均橫向分布寬度

9、80%半徑R80芯位區(qū)域與R80區(qū)域粒子密度之比Ratio80簇射前鋒面斜率Sfront,平均橫向分布寬度,平均橫向分布寬度定義為 其中，Ni為第i個BIG PAD探測到的帶電粒子數(shù)目；（xi，yi）是第i個BIG PAD在探測器平面上的坐標； (xcore，ycore)是用LIKELIHOOD2方法重建的簇射芯位坐標。,R80與Ratio80,80%半徑R80定義為能包含事例中80%帶電粒子數(shù)的

10、最小圓形區(qū)域的半徑。Ratio80: 以簇射的重建芯位為中心2.5m為半徑作圓，然后每次半徑增加5m作以重建芯位為圓心的同心圓，這些同心圓將簇射靶圖劃分為多個環(huán)帶（中心區(qū)域為圓），取中心圓區(qū)域為芯位區(qū)域，80%半徑R80所在環(huán)帶為R80區(qū)域。分別計算兩個區(qū)域的粒子密度，然后取其比值定義為Ratio80。,,,,,簇射前鋒面斜率Sfront,芯位周圍幾十米范圍內(nèi)的簇射次級粒子具有弧狀的前沿，本工作中將簇射前鋒近似為一個錐面 。,用于分

11、辨“膝”區(qū)質(zhì)子的特征量,,分辨效果以及強相互作用模型的影響,,,,分辨效果以及強相互作用模型的影響,綜合上述兩種模型（QGSJET-II、SIBYLL）所得的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及其與兩種模型數(shù)據(jù)之間的相互檢驗，當ANN Cut 值選為0.75時，其對質(zhì)子的挑選效率以及對其他核的排除率如表1所示：,原初能量重建,原初能量的重建精度約為27%,有效面積,有效面積Aeff定義如下：,重建“膝”區(qū)質(zhì)子能譜,紅色虛線為模擬所用能譜，空心方格為利用QGSJE

12、T-ANN所得重建能譜，實心三角為利用SIBYLL-ANN所得重建能譜 。（QGSJET-II 數(shù)據(jù)）,重建“膝”區(qū)質(zhì)子能譜,利用具有“膝”結(jié)構(gòu)的曲線擬合：對于拐折前能譜：模擬所用能譜指數(shù)為-2.74，重建能譜的能譜指數(shù)為-2.74±0.013。拐折后能譜：模擬所用能譜指數(shù)為-4.84，重建能譜的能譜指數(shù)為-4.98±0.72， 用直線擬合：重建能譜的能譜指數(shù)為 -2.81±0.012，由擬合結(jié)果

13、可見利用具有“膝”結(jié)構(gòu)的曲線擬合的優(yōu)度較好，證明重建能譜的能譜指數(shù)有變化，即能譜有拐折。,總結(jié),人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法可以有效的挑選出“膝”區(qū)質(zhì)子事例，并有效的排除絕大多數(shù)背景。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法對強相互作用模型的依賴較弱。 應(yīng)用兩種模型數(shù)據(jù)（QGSJET-II和SIBYLL）訓(xùn)練的ANN都能有效的挑選出QGSJET-II數(shù)據(jù)中的質(zhì)子事例，并能較準確地重建出“膝”區(qū)質(zhì)子能譜（兩重建能譜都很好的符合了模擬所用能譜）。理論上其他單成分能譜也可以通