γ射線暴高能輻射地面探測實(shí)驗(yàn)簡單構(gòu)想

李明輝，樊 旭 ，李昱垚， 劉啟科，翁學(xué)康西藏大學(xué)理學(xué)院物理系， 西藏拉薩 850000

0 引言

γ * M E R G E F O R M A 射 線 暴（G a m m a-R a y Bursts,GRBs），是 來 自 宇 宙 空 間 的γ * MERGEFORMAT 射線光子在短時間內(nèi)強(qiáng)烈爆發(fā)的天文現(xiàn)象，持續(xù)時間一般在0. 1～1000s * MERGEFORMAT 之間，其輻射能量主要集中在 KeV/ MeV * MERGEFORMAT 波段，光子流量大（0.01～100photons ? cm-2? s-1* MERGEFORMAT）， 等 效于高達(dá) 1051～1054erg * MERGEFORMAT 的各向同性輻射能量，而太陽在1010 * MERGEFORMAT 年內(nèi)輻射的總能量E≈ 1.3 × 1051erg* MERGEFORMAT[1]，可見GRB 的能量甚高，據(jù)目前觀測，GRB 是自宇宙大爆炸以來人們所能觀測到的宇宙中最強(qiáng)烈的爆發(fā)現(xiàn)象。

近年來，GRB 的研究得益于Swift、Fermi 等空間衛(wèi)星實(shí)驗(yàn)的成功運(yùn)行，尤其是2008 年6 月11 日發(fā)射的Fermi 衛(wèi)星，在其升空以來，觀測到來自GRB080916C 中高達(dá)13.2GeV 的光子、GRB081024B 中3GeV 的光子、GRB090510 中30 個能量大于1GeV 的光子和GRB090902B 中能量高達(dá)33.4GeV 的光子

[1]。這些都說明，衛(wèi)星實(shí)驗(yàn)觀測到的GRB 常常伴隨有更高能量的γ 射線輻射。為此，許多地面實(shí)驗(yàn)投入了對γ 射線暴的尋找中。

在地面，對宇宙線和γ 射線的觀測只能通過它們在大氣層中引發(fā)的廣延大氣簇射（EAS）來實(shí)現(xiàn)，由于EAS 在大氣中有其發(fā)生、發(fā)展和衰亡過程，因而依賴于觀測站的海拔高度，只可能對某個能量以上的EAS 進(jìn)行觀測。一般，在近海平面的陣列很難觀測到能量低于100TeV 的EAS，從而在空間和地面實(shí)驗(yàn)之間留下了一段空白。要降低EAS 的探測閾能去填補(bǔ)此空白，只有兩個辦法：上高山以避免小EAS 被大氣完全吸收；增加探測器密度以提高EAS 粒子的取樣比[2]。因此，很多高海拔地面實(shí)驗(yàn)（如Milagro、ASγ、MAGIC）對GeV～TeV能區(qū)的γ 射線暴進(jìn)行了尋找。但是到目前為止，地面實(shí)驗(yàn)還沒有給出一個肯定的結(jié)果，所以，我們期望能夠到更高海拔（如大于5000m）開展GRB 高能輻射的實(shí)驗(yàn)研究工作。

1 高海拔GRB 實(shí)驗(yàn)構(gòu)想

高海拔對GRB 高能輻射的研究存在非常有利的地理優(yōu)勢。所以，我們可以將未來GRB 地面實(shí)驗(yàn)提高到海拔5000m 以上的高山上，而我國西藏這個“世界屋脊”正好為其研究提供了有利的自然條件。這對于中國這個尚處于發(fā)展中的國家而言，是揚(yáng)長避短最恰當(dāng)?shù)倪x擇。

1.1 降低GRB 探測閾能

前面已經(jīng)提到，低海拔實(shí)驗(yàn)的探測閾能較高，不能夠?qū)eV-TeV 能區(qū)GRB 進(jìn)行有效觀測。目前，在KeV-MeV 能區(qū)，CGRO，BeppoSAX/HETE-2 及SWIFT 等衛(wèi)星已經(jīng)獲得了突破性進(jìn)展結(jié)果。但是在高能區(qū)盡管有Fermi 衛(wèi)星實(shí)驗(yàn)，由于只有不到1m2的有效面積，使得它的探測事例率很有限；而隨能量的升高，到達(dá)地球的光子數(shù)急劇下降，F(xiàn)ermi 不能對GRB 高能輻射能段做精細(xì)測量。所以，在GRB 的高能輻射方面研究還處于未知領(lǐng)域（即空白能區(qū)的GRB 研究），只有提升地面觀測站海拔，降低其探測閾能，才可能有效探測到高能GRB 事例。

海拔高于5000m 的GRB 地面實(shí)驗(yàn)具有低閾能的獨(dú)特優(yōu)勢，其閾能將降低到50GeV。對于新的50GeV 能區(qū)的觀測，將開辟新的能量窗口。這將有效地填充了目前GRB 高能輻射研究的能量空白區(qū)。

1.2 加大有效探測面積

國際上，更高海拔的天文觀測站已經(jīng)存在不少，但地面宇宙線觀測站則因?yàn)樾枰^大且平坦的面積，為數(shù)還不算多。半個世紀(jì)前，人們在玻利維亞的海拔5220m 的chacaltaya 山上建成了運(yùn)行至今的觀測站，但限于其地形，所開展的實(shí)驗(yàn)規(guī)模一直較小。而我國西藏海拔5000m 以上有較多大的平坦面積，如，位于西藏喜馬拉雅山北麓山南地區(qū)浪卡子縣的普瑪江塘鄉(xiāng)（5373m，N28o36′，E90o12′）就是一個很好的GRB 高海拔地面實(shí)驗(yàn)基地候選點(diǎn)[3]。對于50GeV 能區(qū)的宇宙線粒子，它的廣延大氣簇射發(fā)展過程在海拔4000m 左右時已接近尾聲，因此只有到更高的海拔，比如5000m 左右時才能實(shí)現(xiàn)更有效的觀測。而對于50GeV 能區(qū)的觀測，相同的儀器如果能提高1000m 的高度，即從羊八井轉(zhuǎn)到5200m 海拔，有效探測面積可以提高4～5 倍[4]。如果我們在這樣的高海拔地區(qū)建立一個幾萬平方米的地面觀測站，將為GRB 實(shí)驗(yàn)提供了很大的探測面積。這將是一個空前的進(jìn)步，對GRB 高能輻射的研究會是一個革命性的工作。

1.3 提高探測實(shí)驗(yàn)靈敏度

如果我們在海拔5300m 的地面成功建立一個幾萬平方米的大型水契倫科夫探測器，對于50GeV 能區(qū)的GRB 而言，此陣列的靈敏度將大大超過Fermi-LAT，將彌補(bǔ)衛(wèi)星實(shí)驗(yàn)在高能區(qū)的不足，這對解決GRB 本身內(nèi)部能源機(jī)制，高能輻射機(jī)制及能譜成分等問題具有非常重要的意義。

實(shí)驗(yàn)的靈敏度，也就是信噪比，決定于下式中的幾個物理量[5]：

其中A 是實(shí)驗(yàn)的有效探測面積，T 為實(shí)驗(yàn)的有效觀測時間，θ * MERGEFORMAT 是實(shí)驗(yàn)的角度分辨率，F(xiàn)CR* MERGEFORMAT 是 宇 宙 線 強(qiáng) 子 背 景 流 強(qiáng)， Fγ* MERGEFORMAT 是γ 射線源的流強(qiáng)。

從上式可知，要想提高實(shí)驗(yàn)的靈敏度，可以著手以下幾個方面的工作：

擴(kuò)大實(shí)驗(yàn)的有效面積；而這方面前面已經(jīng)提到，將實(shí)驗(yàn)觀測站提升到5000m 以上將是一個很好的舉措；

延長有效觀測時間；更高海拔GRB 實(shí)驗(yàn)的寬視場、長時間的曝光時間有助于提高觀測的靈敏度，這一工作希望能夠突破實(shí)驗(yàn)設(shè)備技術(shù)困難及不間斷的后勤能源供給；

提高角分辨率（＞1o）；這一希望可能得寄托于Cherenkov 探測器在高海拔的成功建立；

排除強(qiáng)子宇宙線本底；在升級改進(jìn)后的EAS 陣列將很大可能地解決這一問題。

1.4 小結(jié)

期待中的高海拔GRB 實(shí)驗(yàn)有可能會突破更多技術(shù)和理論上的難題，比如，它有可能會通過γ 射線高能輻射探測到暗物質(zhì)粒子；大質(zhì)量新粒子；有望探測到彌散γ 射線或電子流強(qiáng)以及能譜和大尺度各向異性；研究GRB 的輻射機(jī)制；宇宙線中正反質(zhì)子比率的測量；也有可能有效地解釋量子引力效應(yīng)等物理難題。

2 更高海拔GRB 實(shí)驗(yàn)前景與展望

更高海拔地面實(shí)驗(yàn)的建立是GRB 實(shí)驗(yàn)研究所趨，它將彌補(bǔ)空間衛(wèi)星實(shí)驗(yàn)與低海拔地面實(shí)驗(yàn)之間的空白。由于高海拔的地面具有更廣闊的天球視場，彌補(bǔ)了衛(wèi)星實(shí)驗(yàn)有效探測面積小的缺陷，探測事例率將大大增加。對于目前我國成功運(yùn)行的西藏羊八井實(shí)驗(yàn)（ASγ 實(shí)驗(yàn)、ARGO 實(shí)驗(yàn)），更高海拔GRB 實(shí)驗(yàn)（Higher altitude GRBS experiment）也許是羊八井實(shí)驗(yàn)在觀測結(jié)果上的印證，并不與其相悖，而是其進(jìn)一步的補(bǔ)充和完善。

更高海拔GRB 實(shí)驗(yàn)對羊八井實(shí)驗(yàn)的補(bǔ)充項(xiàng)目 ASγ ARGO Higher altitude GRBS experiment 研究方向γ 射線天文學(xué)50GeV～TeV短時標(biāo)、高能量特點(diǎn) 粗、廣；長、續(xù) 粗、廣；長、續(xù) 精、細(xì)；短，靈輔助方向膝區(qū)物理100TeV～10PeV心區(qū)、成分、譜結(jié)構(gòu)γ 射線天文學(xué)100GeV～10TeV普天搜尋、長期監(jiān)測γ 射線天文學(xué)TeV～100TeV膝區(qū)物理（逐事例區(qū)分成分）超高能（UHE）宇宙線成分能譜量子引力效應(yīng)

3 結(jié)論

想要成功的完成更高海拔GRB 實(shí)驗(yàn)，不光面臨的是實(shí)驗(yàn)設(shè)備技術(shù)的難題，更需要人們對GRB 研究的不懈努力和認(rèn)識的不斷深入。目前，雖然有關(guān)天文研究機(jī)構(gòu)對我國西藏更高海拔GRB 實(shí)驗(yàn)觀測站進(jìn)行了實(shí)地考察和選址，但其能夠順利實(shí)施有待來自社會和科學(xué)界在經(jīng)濟(jì)和技術(shù)方面的大力支持；對其觀測的可行性更需計(jì)算機(jī)技術(shù)對高能GRB 模擬工作的研究。綜合現(xiàn)今高海拔實(shí)驗(yàn)對GRB 的研究現(xiàn)狀及羊八井實(shí)驗(yàn)的成功運(yùn)行情況，更高海拔的GRB 實(shí)驗(yàn)將會成為γ 天文學(xué)研究的引領(lǐng)者。

[1]周勛秀.用ARGO實(shí)驗(yàn)尋找GeVˉTeV能區(qū)的γ * MERGEFORMAT射線暴[M].西南交通大學(xué)出版社，2010，5.

[2]譚有恒.我國4300m高度上的高能宇宙線研究[J].天文學(xué)進(jìn)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]馮朝陽.利用西藏ASγ實(shí)驗(yàn)尋找100TeV伽馬射線發(fā)射[D].中國科學(xué)園高能物理研究所博士論文，2010.