От установки Тунка к гамма-телескопу Тунка- HiSCORE: Кузьмичев Л.А. (НИИЯФ МГУ) от коллаборации Тунка Зацепинские чтения, ФИАН, 7 июня 2013. - презентация

1 От установки Тунка к гамма-телескопу Тунка- HiSCORE: Кузьмичев Л.А. (НИИЯФ МГУ) от коллаборации Тунка Зацепинские чтения, ФИАН, 7 июня 2013

2 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

3 Установка Тунка-133: 175 оптических детектора на 3 км 2 1 км

4 Энергетический спектр ( за 3 сезона). The power law index at E 0 >10 17 is similar to that obtained by the Giant Experiments: TA, HiRes, Auger.

5 Сравнение с другими экспериментами. 1.Agreement with KASCADE-Grande 2.Agreement with old Flys Eye, HiRes and TA spectra.

6 vs. E 0 Agreement with HiRes-MIA and Auger results at – eV

7 EXPERIMENT: MEAN vs. E 0

8 ANALYSIS of X max 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

9 Сцинтилляционные детекторы Сцинтилляционная пластина (800х800х40) Конус ФЭУ XP комплекта

10 Сцинтилляционные детекторы Наземные станции Подземные станции

11 Поиск гамма-квантов высоких энергий эВ - только с помощью сцинтилляторов Безмюонные ливни ШАЛ-МГУ ? Гамма-кванты от распада космологических фотонов ( Рубцов и др) эВ черенковская установка + мюонные детектор

12 Диапазон 1 – 10 ПэВ If IceCube see PeV Galactic neutrino then we should see PeV gamma -rays With muon ( 2º) Only cascade ( 15 º) 28 events Flux from one source: E ·F(>E) ~ erg / cm 2 sec Fop et al : arXiv: E ·F(>E) ~ erg / cm 2 sec

13 muons for 30 TeV for pronots 100 times more muons for 3 Pev With 100 m 2 muon detectors 2-6 muons – possible to separate gamma from proton 1.Decreasing Tunka-133 energy thershold ( changing plex) 2.Increasing accuracy of Tunka clusters synchronization Increasing accuracy of angle reconstruction

14 Гамма-астрономия высоких энергий 132 ТэВных источника 1873 ГэВных источника

15

16

17 Проекты (высокие энергии) Международные: 1.CTA ( ) - ~150 млн. Евро (?) 2. HAWC (2014) - ~30 млн. долларов 3. LAWCA (2015) ~ 30 млн. долларов 3. LHAASO ( ) ~150 млн. долларов Российские: 1.Тунка- HiSCORE 2. (А.М.Быков и др.) Для исследования диапазона энергий >20-30 ТэВ нужны широкоугольные установки с площадью км 2. Проект Тунка- HiSCORE показывает как можно сделать такую установку в разумное время и за разумные деньги

18 Тunka-HiSCORE : wide-angle Cherenkov gamma-observatory Area : from 1 to 100 km 2 FOV ~ 0.6 ster ( ± 30° ) Energy threshold ~ 20 TeV Total cost ~ 50 ·10 6 Euro HiSCORE – Hundred* i Square-km Cosmic Origin Explorer

19 Collaboration Tunka-HiSCORE Germany Russia Hamburg University(Hamburg) MSU( SINP)( Moscow) DESY (Zeuthen) ISU (API) (Irkutsk) MPI (Munich) INR RAS (Moscow) IZMIRAN (Troitsk) JINR (Dubna) MEPHI (Moscow) ASU (Barnaul) IKFIA(Yakutsk)

20 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 to10 18 eV events (in 1 km 2 array) with energy > 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. Main Topics

21 Методика регистрации и реконструкции событий

22 Methodical approaches for 3 stages 1.Shower front and LDFsampling technique (at the first stages). Angular resolution – 0.1 deg, X max 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.

23 150 m 9352KB 8, ET Tunka-HiSCORE – 1 km 2 1 stage

24 Энергетический порог черенковских установок Черенковкий импульс на световом фоне ночного неба Сигнал шум = S д P ф S д I ф T T 5 P ф ~ E - энергия E пор ~ I ф T S д Для S д ~ 0.1 м 2 и 0.1 : E пор 100 ТэВ S д – площадь ФЭУ - квантовая эффективность. P ф – поток черенковских фотонов T - длительность импульса - угловая апертура I ф – фон ночного неба м 2 сек 1 фотон

25 Пути понижения порога 1.Использование конусных светосборников - площадь ФЭУ увеличивается в 4 раза ( K = 1/ sin 2 (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 T signal до 7-10 нс 4. QE max = 35-40% 5. Увеличение чувствительности ФЭУ к ультрафиолетовому свету - покрытие шифтерами - в раза. E th ~ ( S det. η) -1/2 (T signal ) 1/2

26 Угловое разрешение 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. E = 25 TeV Восстановление угла только по временам при фиксированном угле конуса ( установка Themistocle) по 5 детекторам.

27 Узкоугольный ( FOV стер) черенковкий детектор Зеркало, площадь 2 м 2 Один ФЭУ (20 см диаметра) или Матрица ФЭУ Угол обзора ±7-10 градусов Ожидаемая стоимость: ~ 0.5 млн. руб за станцию (зеркало + механика слежения) Фрагмент зеркала на основе пенополиуретана для детектора (ОИЯИ)

28 Tunka-HiSCORE – 1 km 2 stage 3: m 2 muon detectors (1% of array area) Scintillation detectors developed in Mephi 30 TeV proton – 2-6 muons Rejection of hadron background by 10 times at TeV

29 Конструкция установки 1.Оптическая станция 2. Система сбора

30 Оптическая станция гамма-телескопа

31

32 Фотоумножитель 1.R5912 (Hamamatsu) ( 8) QE max % KB (Electron Tube) (8) 6 динодов Диноды из CuBe Цена 1300 евро, 1000 ФЭУ в год 3.R7081 (10) QE max % 5000 евро 4. R11780 ( 12) QE max % сейчас – 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.

33 Современное состояние 3 станции с осени 2012

34 200 m m Станции Гамма-телескоп а

35 Station Electronics 4 PMTs Calibration light source

36 Интегральный темп счета станции : 5 Гц Расчет : Q eff = 0.07 T = 25 нс Q eff = 0.07 Q мах = 0.16

37 1 2 1 : Q eff =0.07 T =25 ns 2: Q eff =0.10 T=10 ns 30 TeV 100 TeV

38 150 m Tunka-HiSCORE – 1km 2 2 stage 600 mm R или R Hamamatsu

39 20 TeV 50 TeV N hit 5 detectors 100% 10% 1% Efficiency 1-st stage 2 stage

40 150 m Tunka-HiSCORE – 1km 2 2 stage 300 m 600 mm 2 m 2 mirror, ±7º FOV, Installing matrix of PMT, Image technique

41 1 – 1 km 2, 4 PMTs per station ( 8 PMT) 2 – 1 km 2, + additional station ( 10 PMT) + net of mirrors (S = 2 m 2, ±7-10° FOV, without imaging) 2 – mounting of matrix in each mirror (not yet simulated) 3 – 10 4 m 2 muon detectors 4 – 10 km 2, 4 PMTs per station ( 8PMT) for 12 PMT (not yet simulated) 5 – 100 km 2 (8 PMT) Tunka-HiSCORE: 50 events or 5 RMS, T = 500 hours LHAASO: 50 events or 5 RMS 1 year

42 Tunka-HiSCORE: 50 events or 5 RMS, T = 500 hours Casa-mia IceCube neutrino

43 Спасибо за внимание

44 S=1 km 2, 60 stations, 150 m step, 240 PMTs (150 PMTs are available), 1 M Euro, 2012 – 2014 S = 10 km 2, 225 station, 200 m step, 1000 PMT, 5-6 M Euro. S = 100 km 2, 2000 station, 1 PMT in station M Euro S = 1 km 2, 60 station with 240 PMT (10) + 15 mirrors ( S = 2 m 2 ) - Without matrix of PMTs - With matrix of PMTs Cost: 5 M Euro. 3 stations in October m 2 scintillation detectors (1% of the whole area) – 2-5 muons from 25 TeV protons Cost: M Euro. Decreasing of energy threshold Increasing of area of array Choose new Place for deployment

45

46

47 Режекция фона от протонов 1.Угловое разрешение до 0.1 град 2.Глубина максимума и число сработавших детекторов 3. Форма фронта Слабая надежда! S, km 2 D.Hamphf Ph.D 2012

48 Система сбора стации DRS-4 - DRS ( Domino Ring Sampler) 4 – это 9-входовой оцифровщик формы сигнала с шагом до 0.2 нс в 1024 точках Стоимость – 80 евро.

49 Зависимость коэффициента отражения для материала конусов от длины волны Alanod-4300 Материал для конусов

50 Cas A Оболочки сверхновых – главные источники галактических космических лучей radio polarization in red (VLA), X-rays in green (CHANDRA), optical in blue (HST) – Бааде и Цвикки – Взрывы Сверхновых – источник космических лучей – Ферми – теория ускорения космических лучей – Гинзбург, Сыроватский – переход 10% кинетической энергии оболочек в энергию КЛ достаточен для объяснения галактических КЛ – Крымский, Белл и др – теория ускорения на ударных волнах – Бережко и др. – нелинейная теория ускорения на ударных волнах – Белл, Бережко и Фельк, Птускин и Зиркашвили – усиление магнитного поля на фронте ударной волны – Emax ~ Z · eV Но до сих пор этому нет надежного экспериментального доказательства

51 Сцинтилляционные стации установки KASCADE-Grande В Москве Установлены 20 радиоантенн для регистрации ШАЛ Начато создание Гамма-телескопа Статус 2013 года

52 What we can see with 1 km 2 array (short list) Name RA degrees Decl Flux F at 1 TeV, cm -2 s 1 TeV -1 Г Flux F at 35 TeV, cm -2 s - 1 TeV -1 (from Milagro ) Time of observation per one year (х 0.5- weater factor) Number of events per one season E> 20 TeV Tycho SNR (J ) ±0.05 Г=1.95 ±0.5236h 88 Crab ±.9.0 Г=2.6 ± ±9.4110h,680 SNR IC443 (MAGIC J )MAGIC J ±0.12 Г=3.1 ± ±9.5112h, 2 –(from MAGIC) 50 ( from Milagro) Geminga MGRO C3 PSR ± h, 80 M82 (Starburst Galaxy) ±0.12 Г=2.5 ±0.6± h,22 Mkn 421Mkn 421 (BL, z=0.031 Variable ) Г= h SNR (J ) ±0.33 ±0.41 Г=2.29 ±0.33 ± ± h 140 ( from VERITAS 235 ( from Milagro) Cas ACas A (SNR, G )[6] ±0.18 Г=2.61 ±0.24± h40 CTA_1(SNR,PWN) Г= h200