γ射线暴高能辐射地面探测实验简单构想

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摘 要 介绍了地面探测γ射线暴高能辐射的可能性和必要性，主要对未来在高海拔（>5000m）站址地面探测γ射线暴高能辐射的实验进行了简单构想。

关键词 更高海拔；γ射线暴；阈能；探测面积；灵敏度

中图分类号O4-34 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2013）91-0120-02

0引言

＼* MERGEFORMA射线暴（Gamma-Ray Bursts，GRBs），是来自宇宙空间的＼* MERGEFORMAT射线光子在短时间内强烈爆发的天文现象，持续时间一般在＼* MERGEFORMAT之间，其辐射能量主要集中在＼* MERGEFORMAT波段，光子流量大（＼* MERGEFORMAT），等效于高达＼* MERGEFORMAT的各向同性辐射能量，而太阳在＼* MERGEFORMAT年内辐射的总能量＼* MERGEFORMAT[1]，可见GRB的能量甚高，据目前观测，GRB是自宇宙大爆炸以来人们所能观测到的宇宙中最强烈的爆发现象。

近年来，GRB的研究得益于Swift、Fermi等空间卫星实验的成功运行，尤其是2008年6月11日发射的Fermi卫星，在其升空以来，观测到来自GRB080916C中高达13.2GeV的光子、GRB081024B中3GeV的光子、GRB090510中30个能量大于1GeV的光子和GRB090902B中能量高达33.4GeV的光子[1]。这些都说明，卫星实验观测到的GRB常常伴随有更高能量的γ射线辐射。为此，许多地面实验投入了对γ射线暴的寻找中。

在地面，对宇宙线和γ射线的观测只能通过它们在大气层中引发的广延大气簇射（EAS）来实现，由于EAS在大气中有其发生、发展和衰亡过程，因而依赖于观测站的海拔高度，只可能对某个能量以上的EAS进行观测。一般，在近海平面的阵列很难观测到能量低于100TeV的EAS，从而在空间和地面实验之间留下了一段空白。要降低EAS的探测阈能去填补此空白，只有两个办法：上高山以避免小EAS被大气完全吸收；增加探测器密度以提高EAS粒子的取样比[2]。因此，很多高海拔地面实验（如Milagro、ASγ、MAGIC）对GeV～TeV能区的γ射线暴进行了寻找。但是到目前为止，地面实验还没有给出一个肯定的结果，所以，我们期望能够到更高海拔（如大于5000m）开展GRB高能辐射的实验研究工作。

1高海拔GRB实验构想

高海拔对GRB高能辐射的研究存在非常有利的地理优势。所以，我们可以将未来GRB地面实验提高到海拔5000m以上的高山上，而我国这个“世界屋脊”正好为其研究提供了有利的自然条件。这对于中国这个尚处于发展中的国家而言，是扬长避短最恰当的选择。

1.1降低GRB探测阈能

前面已经提到，低海拔实验的探测阈能较高，不能够对GeV-TeV能区GRB进行有效观测。目前，在KeV-MeV能区，CGRO，BeppoSAX/HETE-2及SWIFT等卫星已经获得了突破性进展结果。但是在高能区尽管有Fermi卫星实验，由于只有不到1m2的有效面积，使得它的探测事例率很有限；而随能量的升高，到达地球的光子数急剧下降，Fermi不能对GRB高能辐射能段做精细测量。所以，在GRB的高能辐射方面研究还处于未知领域（即空白能区的GRB研究），只有提升地面观测站海拔，降低其探测阈能，才可能有效探测到高能GRB事例。

海拔高于5000m的GRB地面实验具有低阈能的独特优势，其阈能将降低到50GeV。对于新的50GeV能区的观测，将开辟新的能量窗口。这将有效地填充了目前GRB高能辐射研究的能量空白区。

1.2加大有效探测面积

国际上，更高海拔的天文观测站已经存在不少，但地面宇宙线观测站则因为需要较大且平坦的面积，为数还不算多。半个世纪前，人们在玻利维亚的海拔5220m的chacaltaya山上建成了运行至今的观测站，但限于其地形，所开展的实验规模一直较小。而我国海拔5000m以上有较多大的平坦面积，如，位于喜马拉雅山北麓山南地区浪卡子县的普玛江塘乡（5373m，N28o36′，E90o12′）就是一个很好的GRB高海拔地面实验基地候选点[3]。对于50GeV能区的宇宙线粒子，它的广延大气簇射发展过程在海拔4000m左右时已接近尾声，因此只有到更高的海拔，比如5000m左右时才能实现更有效的观测。而对于50GeV能区的观测，相同的仪器如果能提高1000m的高度，即从羊八井转到5200m海拔，有效探测面积可以提高4～5倍[4]。如果我们在这样的高海拔地区建立一个几万平方米的地面观测站，将为GRB实验提供了很大的探测面积。这将是一个空前的进步，对GRB高能辐射的研究会是一个革命性的工作。

1.3提高探测实验灵敏度

如果我们在海拔5300m的地面成功建立一个几万平方米的大型水契伦科夫探测器，对于50GeV能区的GRB而言，此阵列的灵敏度将大大超过Fermi-LAT，将弥补卫星实验在高能区的不足，这对解决GRB本身内部能源机制，高能辐射机制及能谱成分等问题具有非常重要的意义。

实验的灵敏度，也就是信噪比，决定于下式中的几个物理量[5]：

＼* MERGEFORMAT

其中A是实验的有效探测面积，T为实验的有效观测时间，＼* MERGEFORMAT是实验的角度分辨率，＼* MERGEFORMAT是宇宙线强子背景流强，＼* MERGEFORMAT是γ射线源的流强。

从上式可知，要想提高实验的灵敏度，可以着手以下几个方面的工作：

扩大实验的有效面积；而这方面前面已经提到，将实验观测站提升到5000m以上将是一个很好的举措；

延长有效观测时间；更高海拔GRB实验的宽视场、长时间的曝光时间有助于提高观测的灵敏度，这一工作希望能够突破实验设备技术困难及不间断的后勤能源供给；

提高角分辨率（>1o）；这一希望可能得寄托于Cherenkov 探测器在高海拔的成功建立；

排除强子宇宙线本底；在升级改进后的EAS阵列将很大可能地解决这一问题。

1.4 小结

期待中的高海拔GRB实验有可能会突破更多技术和理论上的难题，比如，它有可能会通过γ射线高能辐射探测到暗物质粒子；大质量新粒子；有望探测到弥散γ射线或电子流强以及能谱和大尺度各向异性；研究GRB的辐射机制；宇宙线中正反质子比率的测量；也有可能有效地解释量子引力效应等物理难题。

2更高海拔GRB实验前景与展望

更高海拔地面实验的建立是GRB实验研究所趋，它将弥补空间卫星实验与低海拔地面实验之间的空白。由于高海拔的地面具有更广阔的天球视场，弥补了卫星实验有效探测面积小的缺陷，探测事例率将大大增加。对于目前我国成功运行的羊八井实验（ASγ实验、ARGO实验），更高海拔GRB实验（Higher altitude GRBS experiment）也许是羊八井实验在观测结果上的印证，并不与其相悖，而是其进一步的补充和完善。

3结论

想要成功的完成更高海拔GRB实验，不光面临的是实验设备技术的难题，更需要人们对GRB研究的不懈努力和认识的不断深入。目前，虽然有关天文研究机构对我国更高海拔GRB实验观测站进行了实地考察和选址，但其能够顺利实施有待来自社会和科学界在经济和技术方面的大力支持；对其观测的可行性更需计算机技术对高能GRB模拟工作的研究。综合现今高海拔实验对GRB的研究现状及羊八井实验的成功运行情况，更高海拔的GRB实验将会成为γ天文学研究的引领者。

参考文献

[1]周勋秀.用ARGO实验寻找GeV～TeV能区的＼* MERGEFORMAT射线暴[M].西南交通大学出版社，2010，5.

[2]谭有恒.我国4300m高度上的高能宇宙线研究[J].天文学进展2003，21（4）：328-331.

[3]Danzangluobu， Lu Hong， Chen Tianlu， et.al.A Search for 5000-6000M Sites in Tibet Autonomous Region to Observe the High Energy Cosmological Gamma Rays.Proceedings of 32nd International Cosmic Ray Conference， 2011，9：252-254.

[4]ZHAOYANG FENG，et al.Observation of GRBs at tens of GeV with a full-coverage air shower array at 6000M Elevation [J].Proceedings of 32nd International Cosmic Ray Conference，2011，9：187-189.

[5]冯朝阳.利用ASγ实验寻找100TeV伽马射线发射[D].中国科学园高能物理研究所博士论文，2010.