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 = 310 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