Высотный эксперимент Черенкова с водой

Высотный Водный Черенковский Эксперимент или Высотная Черенковская Обсерватория Воды (также известная как HAWC ) — гамма-лучей и космических лучей, обсерватория расположенная на склонах вулкана Сьерра-Негра в мексиканском штате Пуэбла на высоте 4100 метров, на 18 ° 59'41 ″ с.ш. 97 ° 18'30,6 ″ з.д. / 18,99472 ° с.ш. 97,308500 ° з.д. / 18,99472; -97.308500 . HAWC является преемником Милагро гамма-обсерватории в Нью-Мексико , которая также была гамма-обсерваторией, основанной на принципе косвенного обнаружения гамма-лучей с использованием метода водного Черенкова .

HAWC — это совместное сотрудничество большого количества американских и мексиканских университетов и научных учреждений, включая Университет Мэриленда , Национальный автономный университет Мексики , Национальный институт астрофизики, оптики и электроники , Национальную лабораторию Лос-Аламоса , НАСА / Goddard Space. Летный центр , Калифорнийский университет, Санта-Крус , Мичиганский технологический университет , Мичиганский государственный университет , Бенемеритский автономный университет Пуэблы , Университет Гвадалахары , Университет Юты , Университет Нью-Мексико , Университет Висконсина-Мэдисона и Джорджии Технологический институт . ^[1]

Обзор

Гамма-обсерватория HAWC — это -излучения с широким полем зрения непрерывно действующий телескоп гамма , который исследует происхождение космических лучей , изучает ускорение частиц в экстремальных физических средах и ищет новую физику ТэВ. HAWC был построен на высоте 4100 м над уровнем моря в Мексике в результате сотрудничества 15 американских и 12 мексиканских учреждений и функционирует при финансовой поддержке Национального научного фонда США США, Министерства энергетики и CONACyT (Мексиканское агентство по финансированию науки). ). HAWC был завершен весной 2015 года и состоит из группы из 300 черенковских детекторов воды . Он спроектирован так, чтобы быть более чем на порядок более чувствительным, чем его предшественник, Milagro. ^{[ нужна ссылка ]}

HAWC наблюдает за северным небом и проводит совпадающие наблюдения с другими обсерваториями с широким полем зрения. HAWC работает с другими обсерваториями, такими как VERITAS , HESS , MAGIC , IceCube и позже, CTA , поэтому они могут проводить перекрывающиеся многоволновые наблюдения с несколькими посланниками и максимизировать совпадающие наблюдения с космическим гамма-телескопом Ферми (Fermi) .

HAWC имеет возможность обнаруживать большой ансамбль источников гамма-излучения, измерять их спектры и изменчивость, чтобы охарактеризовать механизмы ускорения в ТэВном масштабе. За годичный обзор HAWC может выполнить глубокий и объективный обзор ТэВ-гамма-излучения с чувствительностью 50 мкраб при 5 σ . HAWC будет наблюдать галактические источники жесткого спектра (высокие энергии фотонов) в ТэВ с чувствительностью, аналогичной чувствительности Ферми в ГэВ, обнаруживать диффузное излучение из областей галактической плоскости , обладать чувствительностью, чтобы видеть известные ТэВ- активные галактические ядра и самые яркие известные ГэВ -всплески гамма-излучения и представляют собой достаточно большой шаг в чувствительности, чтобы, вероятно, открыть новые явления. Поскольку HAWC имеет мгновенное поле зрения в 2 стерадиана , он будет наблюдать диффузное гамма-излучение из плоскости галактики в широком диапазоне галактических долгот , достигая Галактического центра . ^{[ нужна ссылка ]}

из Лос-Аламосской национальной лаборатории был предоставлен грант на исследования и разработки под руководством лаборатории В сентябре 2015 года Бренде Дингус для улучшения эффективной площади и чувствительности HAWC за счет добавления выносных резервуаров группы, окружающих более крупные центральные резервуары. Из-за большего размера ливней частиц, создаваемых космическими лучами высокой энергии, увеличение площади детектора приведет к увеличению чувствительности детектора. Было предсказано, что аутригеры увеличат чувствительность и эффективную площадь HAWC в 2–4 раза для частиц с энергией выше 10 ТэВ. Установка аутригеров была завершена в начале 2018 года, на год позже, чем ожидалось. ^[2]

Принцип работы

HAWC обнаруживает электромагнитное излучение воздушных ливней, создаваемых космическими лучами высокой энергии, попадающими в атмосферу Земли. HAWC чувствителен к ливням, создаваемым первичными космическими лучами с энергией от 100 ГэВ до 50 ТэВ.

Черенковское излучение возникает, когда заряженные частицы движутся через среду со скоростью, превышающей скорость света в этой среде. Гамма-лучи высокой энергии, попадая в верхние слои атмосферы, могут создавать позитрон - электрон пары , которые движутся с огромными скоростями. Остаточный эффект движения этих частиц через атмосферу может привести к каскадному дождю частиц и фотонов, направленных к поверхности под предсказуемыми углами. ^{[ нужна ссылка ]}

Эскиз танка
мочевой пузырь

HAWC состоит из больших металлических резервуаров шириной 7,3 м и высотой 5 м, в которых находится светонепроницаемая камера, вмещающая 188 000 литров воды. Внутри находятся четыре фотоумножителя (QE высотой 3–8 дюймов и 1–10 дюймов). Частицы высокой энергии, ударяясь о воду, создают черенковский свет, который регистрируется фотоумножителями. HAWC использует разницу во времени прибытия света в разные резервуары для измерения направления первичной частицы. Характер света позволяет различать первичные ( адроны ) и гамма-лучи. Благодаря этому ученые могут составить карту неба с помощью гамма-лучей.

Цели производительности

HAWC будет:

Обнаружьте большую выборку локализованных источников гамма-излучения и измерьте их спектры и изменчивость, чтобы охарактеризовать механизмы ускорения в ТэВном масштабе от ансамбля источников.
Иметь чувствительность 50 mCrab при 5σ в ходе однолетнего исследования. HAWC будет наблюдать галактические источники жесткого спектра при энергиях ТэВ с чувствительностью, аналогичной чувствительности космического гамма-телескопа Ферми при энергиях ГэВ, обнаруживать диффузное излучение из областей галактической плоскости, обладать чувствительностью, чтобы видеть известные активные ядра галактик в ТэВ (AGN). и самые яркие из известных ГэВ-всплесков гамма-излучения (GRB) и представляют собой достаточно большой шаг в чувствительности, чтобы, вероятно, открыть новые явления.
Измерьте спектр и пространственно охарактеризуйте диффузное ТэВ-излучение галактики Млечный Путь, чтобы исследовать поток космических лучей в других регионах галактики.
Наблюдайте за внегалактическими переходными источниками, такими как гамма-всплески и АЯГ, и незамедлительно уведомляйте других наблюдателей, чтобы они могли проводить многоволновые наблюдения с несколькими посланниками.
Проведите глубокое и объективное исследование неба с гамма-лучами и космическими лучами в ТэВ, чтобы понять астрофизические источники ТэВ в достаточной степени для поиска новых фундаментальных физических эффектов.
Иметь мгновенное поле зрения в 2 стерадиана (ср), позволяющее наблюдать диффузное гамма-излучение из плоскости Галактики в широком диапазоне галактических долгот, достигая центра Галактики. Такое широкое поле зрения также позволяет HAWC наблюдать такие явления, как гамма-всплески, которые редки, с неизвестных направлений и длятся всего несколько секунд. Таким образом, HAWC может обнаружить новые источники ТэВ и наблюдать вспышки в известных источниках, которые могут не иметь аналогов с низкой энергией, то есть бесхозные вспышки ТэВ от АЯГ, которые являются признаками адронного ускорения.
Работать не менее пяти лет с рабочим циклом >90%, что обеспечит достаточную экспозицию для измерения низких потоков при более высоких энергиях и достаточно продолжительное время для обнаружения и мониторинга различных источников переходных процессов.
Иметь среднюю энергию ниже 1 ТэВ для крабоподобного спектра, который необходим для наблюдения внегалактических источников, которые ослабляются при высоких энергиях за счет образования пар с межгалактическими фотонами.
Обеспечить подавление адронного фона > 95% для E > 10 ТэВ путем различения проникающих частиц в фоновых ливнях, инициированных адронами, от электромагнитных ливней, инициированных гамма-лучами.
Иметь угловое разрешение <0,5. ^тот для E >1 ТэВ и 0,25 ^тот для E >10 ТэВ. Такое разрешение повышает чувствительность HAWC к потоку за счет исключения изотропного фона и обеспечивает локализацию источника, достаточную для нацеливания другими детекторами и для определения пространственной морфологии источника. HAWC также может обнаружить расширенные источники, которые могут инициировать глубокие наблюдения с помощью IACT .

Научные цели

Галактические источники высоких энергий

Происхождение космического излучения остается загадкой с момента его открытия Виктором Гессом в 1912 году. Энергетический спектр космических лучей простирается от нескольких ГэВ до более 10 ГэВ. ²⁰ эВ. Пока еще нет экспериментальных доказательств перехода от галактических к внегалактическим космическим лучам, хотя считается, что космические лучи ниже примерно 10 ^17.5 эВ имеют галактическое происхождение. Хотя существует мнение, что взрывы сверхновых (СН) ускоряют космические лучи до энергий ~10 ¹⁵ эВ, экспериментальные доказательства получить было трудно. Теоретические аргументы основаны на том, что энергии, выделяемой в сверхновой, достаточно для поддержания наблюдаемых космических лучей в Галактике, а также на том, что сверхновая создает сильные ударные волны, обеспечивающие ускорение Ферми первого порядка. Таким образом, задачи будущих экспериментов состоят в том, чтобы подтвердить, что сверхновые являются местами ускорения адронных космических лучей до колена, и определить источники галактических космических лучей выше 10 ¹⁵ эВ.

Галактическое диффузное излучение

Диффузное гамма-излучение нашей Галактики также позволяет исследовать происхождение космических лучей. Это излучение обусловлено взаимодействием адронных космических лучей с межзвездным газом и последующим распадом нейтральных пионов, а также взаимодействием электронов высоких энергий с газом и полями излучения (радио, микроволнового, инфракрасного, оптического, УФ и магнитного). Если распределение вещества и излучения известно посредством других измерений, знание диффузного излучения позволяет измерить поток и спектр космических лучей по всей Галактике. Эту информацию можно использовать для определения областей внутри Галактики, где недавно произошло ускорение частиц.

Переходное излучение от АЯГ и Краба

Более 20 активных галактических ядер (AGN) были обнаружены в гамма-лучах очень высоких энергий (VHE), а также наблюдались экстремальные вспышки, в 50 раз превышающие поток покоя. Гамма-лучи образуются в результате взаимодействия электронов и/или протонов высокой энергии с фотонами более низкой энергии. Существует несколько моделей, объясняющих источник фотонов, включая: синхротронное излучение той же популяции электронов, излучение аккреционного диска и космические микроволновые фоновые фотоны. Чтобы различать эти модели, необходимы одновременные наблюдения с использованием нескольких длин волн и подходов с использованием нескольких посланников. Мониторинг при энергиях VHE является эффективным механизмом для инициирования таких наблюдений, поскольку гамма-лучи с самой высокой энергией демонстрируют наибольшую изменчивость и исследуют частицы с самой высокой энергией. HAWC будет обладать чувствительностью для обнаружения сильных вспышек, таких как те, что наблюдались на Маркарян 421 , с яркостью более 10σ менее чем за 30 минут.

Гамма-всплески

Спутник Ферми в настоящее время наблюдал как длинные, так и короткие гамма-всплески , испускающие гамма-лучи с энергией в несколько ГэВ. Ни в одном из этих гамма-всплесков не наблюдается обрезания по высокой энергии, а гамма-лучи с самой высокой энергией, наблюдаемые в трех самых ярких всплесках, были испущены (т.е. с поправкой на наблюдаемое красное смещение ) при энергиях 70, 60, 94 и 61 ГэВ в гамма-всплесках 080916C. , 090510, 090902B и 090926 соответственно. Гамма-лучи с самой высокой энергией требуют объемного лоренц-фактора истечения почти 1000, чтобы энергии покоя и плотности фотонов были достаточно низкими, чтобы избежать затухания из-за парных взаимодействий. Наблюдения Fermi-LAT показывают, что наиболее интенсивное излучение ГэВ происходит сразу, а также длится дольше, чем излучение при более низких энергиях. Для наблюдения этого мгновенного излучения и определения его масштаба при высоких энергиях требуется обсерватория с широким полем зрения и высокой пропускной способностью, такая как HAWC, особенно для такого всплеска, как 090510, в котором мгновенное излучение длилось менее полсекунды. .

HAWC обладает чувствительностью, чтобы продолжить эти наблюдения в диапазоне VHE. Эффективная площадь HAWC при энергии 100 ГэВ (~100 м ²) более чем в 100 раз больше, чем у Fermi-LAT. ^{[ нужна ссылка ]}

Космические лучи при энергиях ТэВ

HAWC — очень чувствительный детектор космических лучей в ТэВном диапазоне. Большое количество космических лучей, регистрируемых с помощью HAWC, создает нежелательный фон при поиске источников гамма-излучения, но позволяет также точно измерять небольшие отклонения от изотропии потока космических лучей. За последние несколько лет детекторы космических лучей в северном и южном полушариях обнаружили анизотропию в распределении направления прибытия космических лучей ТэВ на уровне промилле. Поскольку мы ожидаем, что направления прибытия заряженных частиц при этих энергиях будут полностью искажены магнитными полями Галактики, эти отклонения удивительны и подразумевают, что распространение космических лучей от их источников к нам не изучено. Составление карты распределения направлений прибытия космических лучей для изучения анизотропии с повышенной чувствительностью является основной научной целью HAWC.

Фундаментальная физика

Астрофизические наблюдения высоких энергий обладают уникальным потенциалом для изучения фундаментальной физики. Однако выведение фундаментальной физики из астрофизических наблюдений сложно и требует глубокого понимания астрофизических источников. Необходимо понять основу астрофизики, чтобы определить отклонения от этой основы, вызванные новой физикой. В некоторых случаях астрономы могут помочь понять астрофизическую подоплеку, например, используя сверхновые в качестве стандартных свечей для измерения темной энергии. Однако физикам высоких энергий придется обнаружить и объяснить астрофизические явления высоких энергий, чтобы вывести фундаментальную физику. Глубокий обзор ТэВного гамма-неба HAWC обеспечит объективную картину, необходимую для характеристики свойств астрофизических источников с целью поиска новых фундаментальных физических эффектов. Примеры расследований HAWC включают: ^{[ нужна ссылка ]}

Ограничение существования близлежащей темной материи . Объективный обзор неба с энергией 2π ср ТэВ, проведенный HAWC, позволяет осуществлять поиск известных и неизвестных карликовых сфероидальных спутников нашей галактики. Число спутников увеличивается с уменьшением массы, поэтому очень близко могут находиться сгустки темной материи, которые, следовательно, будут иметь более высокие потоки гамма-излучения, но могут не иметь оптических аналогов. Известные карликовые сфероидальные галактики имеют протяженность до ~ 1 градуса, что хорошо соответствует угловому разрешению HAWC <0,5. ^тот. Комплексный анализ этих спутников улучшит предел, поскольку все они будут иметь одинаковые спектры гамма-излучения.
Проверка лоренц-инвариантности с помощью наблюдений нестационарных гамма-лучей. Многие теории квантовой гравитации предсказывают, что скорость света зависит от энергии фотона следующим образом: Δc/c = -(E/M _QGn ) ^н где n=1 или 2. Хотя M _QG может быть планковской массой (2,4x10 ¹⁸ ГэВ), некоторые теории предсказывают гораздо меньшие масштабы масс. Для теорий, где n = 1, коллаборация Fermi-LAT установила пределы выше массы Планка, и HAWC будет иметь аналогичную чувствительность, если будет обнаружен гамма-всплеск. Для теорий, где n = 2, более высокая энергетическая чувствительность HAWC приведет к ограничению примерно на порядок более высокого массового масштаба, чем это возможно с Fermi-LAT.
Измерение ослабления астрофизических источников из-за взаимодействия с внегалактическим фоновым светом (EBL). HAWC позволит наблюдать несколько источников в различных состояниях вспышки, чтобы понять собственный ТэВный спектр. Текущие ограничения на EBL основаны на консервативном предположении об очень жестком собственном спектре и очень близком к максимальному, допустимому при подсчете галактик. Эти наблюдения привели к постулированию существования аксионов для уменьшения затухания ТэВ-излучения от ЭПС.
Поиск экзотических сигналов, таких как массивные реликтовые частицы, например суперсимметрические Q-шары , и тау-нейтрино . Будут разработаны специальные триггеры, позволяющие HAWC искать медленно движущиеся Q-шары с высоким dE/dx, а также горизонтальные воздушные ливни, создаваемые тау-нейтрино, взаимодействующими в близлежащей горе.

Финансирование

Строительство и эксплуатация HAWC финансируются совместно Национальным научным фондом США , Министерства энергетики Управлением физики высоких энергий США, Национальным советом науки и технологий (CONACyT) в Мексике и программой лабораторных исследований и разработок (LDRD) Лос-Аламосская национальная лаборатория.

Другими важными источниками финансирования являются:

Сеть физики высоких энергий, Мексика
DGAPA-UNAM, Мексика, гранты IN105211, IN112910, IN121309, IN115409 и IA102715.
VIEP-BUAP, Мексика, грант 161-EXC-2011.
Фонд исследований выпускников Университета Висконсина, США
Институт геофизики, планетарной физики и сигнатур (IGPPS) Национальной лаборатории Лос-Аламоса (LANL), США
Университет Мэриленда, США

Результаты

В 2017 году HAWC объявил о первом измерении спектра космических лучей. ^[3] и новые результаты по наблюдаемому избытку позитронов в антивеществе . ^[4]

В 2023 году HAWC сообщил о первом обнаружении гамма-лучей с энергией ТэВ, исходящих от Солнца, возникающих в результате взаимодействия космических лучей с газом в солнечной атмосфере. ^[5]^[6]

См. также

Ссылки

^ «Обсерватория Хоука» .
^ «Новости обсерватории Хоук» .
^ «Первое измерение спектра космических лучей с помощью HAWC | WIPAC» . Wipac.wisc.edu . 5 декабря 2017 года . Проверено 17 июля 2018 г.
^ Мандельбаум, Райан Ф. «Новые загадочные результаты не могут объяснить, почему на Землю попадает так много антиматерии» . Гизмодо . Проверено 17 июля 2018 г.
^ Сотрудничество HAWC; Альберт, А.; Альфаро, Р.; Альварес, К.; Артеага-Веласкес, ХК; Авила Рохас, Д.; Айала Соларес, HA; Бабу, Р.; Бельмонт-Морено, Э.; Брисбуа, К.; Кабальеро-Мора, Канзас; Капистран, Т.; Каррамьяна, А.; Казанова, С.; Чапарро-Амаро, О. (3 августа 2023 г.). «Открытие гамма-лучей покоящегося Солнца с помощью HAWC» . Письма о физических отзывах . 131 (5): 051201. arXiv : 2212.00815 . Бибкод : 2023PhRvL.131e1201A . doi : 10.1103/PhysRevLett.131.051201 . ПМИД 37595214 . S2CID 254221151 .
^ Уилкинсон, Райан (3 августа 2023 г.). «Рекордное обнаружение солнечных фотонов» . Физика . 16 (5): с107. arXiv : 2212.00815 . Бибкод : 2023PhRvL.131e1201A . doi : 10.1103/PhysRevLett.131.051201 . ПМИД 37595214 . S2CID 254221151 .

Внешние ссылки

СМИ, связанные с экспериментом Черенкова с высотной водой, на Викискладе?
Официальный сайт HAWC

[1] «Обсерватория Хоука» .

[2] «Новости обсерватории Хоук» .

[3] «Первое измерение спектра космических лучей с помощью HAWC | WIPAC» . Wipac.wisc.edu . 5 декабря 2017 года . Проверено 17 июля 2018 г.

[4] Мандельбаум, Райан Ф. «Новые загадочные результаты не могут объяснить, почему на Землю попадает так много антиматерии» . Гизмодо . Проверено 17 июля 2018 г.

[5] Сотрудничество HAWC; Альберт, А.; Альфаро, Р.; Альварес, К.; Артеага-Веласкес, ХК; Авила Рохас, Д.; Айала Соларес, HA; Бабу, Р.; Бельмонт-Морено, Э.; Брисбуа, К.; Кабальеро-Мора, Канзас; Капистран, Т.; Каррамьяна, А.; Казанова, С.; Чапарро-Амаро, О. (3 августа 2023 г.). «Открытие гамма-лучей покоящегося Солнца с помощью HAWC» . Письма о физических отзывах . 131 (5): 051201. arXiv : 2212.00815 . Бибкод : 2023PhRvL.131e1201A . doi : 10.1103/PhysRevLett.131.051201 . ПМИД 37595214 . S2CID 254221151 .

[6] Уилкинсон, Райан (3 августа 2023 г.). «Рекордное обнаружение солнечных фотонов» . Физика . 16 (5): с107. arXiv : 2212.00815 . Бибкод : 2023PhRvL.131e1201A . doi : 10.1103/PhysRevLett.131.051201 . ПМИД 37595214 . S2CID 254221151 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]