γ射線暴高能輻射地面探測實驗簡單構想

李明輝，樊 旭 ，李昱垚， 劉啟科，翁學康西藏大學理學院物理系， 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強烈爆發的天文現象，持續時間一般在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 1051～1054erg * MERGEFORMAT 的各向同性輻射能量，而太陽在1010 * MERGEFORMAT 年內輻射的總能量E≈ 1.3 × 1051erg* MERGEFORMAT[1]，可見GRB 的能量甚高，據目前觀測，GRB 是自宇宙大爆炸以來人們所能觀測到的宇宙中最強烈的爆發現象。

近年來，GRB 的研究得益于Swift、Fermi 等空間衛星實驗的成功運行，尤其是2008 年6 月11 日發射的Fermi 衛星，在其升空以來，觀測到來自GRB080916C 中高達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33.4GeV 的光子

[1]。這些都說明，衛星實驗觀測到的GRB 常常伴隨有更高能量的γ 射線輻射。為此，許多地面實驗投入了對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的廣延大氣簇射（EAS）來實現，由于EAS 在大氣中有其發生、發展和衰亡過程，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驗之間留下了一段空白。要降低EAS 的探測閾能去填補此空白，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，很多高海拔地面實驗（如Milagro、ASγ、MAGIC）對GeV～TeV能區的γ 射線暴進行了尋找。但是到目前為止，地面實驗還沒有給出一個肯定的結果，所以，我們期望能夠到更高海拔（如大于5000m）開展GRB 高能輻射的實驗研究工作。

1 高海拔GRB 實驗構想

高海拔對GRB 高能輻射的研究存在非常有利的地理優勢。所以，我們可以將未來GRB 地面實驗提高到海拔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展中的國家而言，是揚長避短最恰當的選擇。

1.1 降低GRB 探測閾能

前面已經提到，低海拔實驗的探測閾能較高，不能夠對GeV-TeV 能區GRB 進行有效觀測。目前，在KeV-MeV 能區，CGRO，BeppoSAX/HETE-2 及SWIFT 等衛星已經獲得了突破性進展結果。但是在高能區盡管有Fermi 衛星實驗，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，到達地球的光子數急劇下降，Fermi 不能對GRB 高能輻射能段做精細測量。所以，在GRB 的高能輻射方面研究還處于未知領域（即空白能區的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 地面實驗具有低閾能的獨特優勢，其閾能將降低到50GeV。對于新的50GeV 能區的觀測，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。

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存在不少，但地面宇宙線觀測站則因為需要較大且平坦的面積，為數還不算多。半個世紀前，人們在玻利維亞的海拔5220m 的chacaltaya 山上建成了運行至今的觀測站，但限于其地形，所開展的實驗規模一直較小。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浪卡子縣的普瑪江塘鄉（5373m，N28o36′，E90o12′）就是一個很好的GRB 高海拔地面實驗基地候選點[3]。對于50GeV 能區的宇宙線粒子，它的廣延大氣簇射發展過程在海拔4000m 左右時已接近尾聲，因此只有到更高的海拔，比如5000m 左右時才能實現更有效的觀測。而對于50GeV 能區的觀測，相同的儀器如果能提高1000m 的高度，即從羊八井轉到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建立一個幾萬平方米的地面觀測站，將為GRB 實驗提供了很大的探測面積。這將是一個空前的進步，對GRB 高能輻射的研究會是一個革命性的工作。

1.3 提高探測實驗靈敏度

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 能區的GRB 而言，此陣列的靈敏度將大大超過Fermi-LAT，將彌補衛星實驗在高能區的不足，這對解決GRB 本身內部能源機制，高能輻射機制及能譜成分等問題具有非常重要的意義。

實驗的靈敏度，也就是信噪比，決定于下式中的幾個物理量[5]：

其中A 是實驗的有效探測面積，T 為實驗的有效觀測時間，θ * MERGEFORMAT 是實驗的角度分辨率，FCR* MERGEFORMAT 是 宇 宙 線 強 子 背 景 流 強， Fγ* MERGEFORMAT 是γ 射線源的流強。

從上式可知，要想提高實驗的靈敏度，可以著手以下幾個方面的工作：

擴大實驗的有效面積；而這方面前面已經提到，將實驗觀測站提升到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 實驗的寬視場、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驗設備技術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；

排除強子宇宙線本底；在升級改進后的EAS 陣列將很大可能地解決這一問題。

1.4 小結

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

2 更高海拔GRB 實驗前景與展望

更高海拔地面實驗的建立是GRB 實驗研究所趨，它將彌補空間衛星實驗與低海拔地面實驗之間的空白。由于高海拔的地面具有更廣闊的天球視場，彌補了衛星實驗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行的西藏羊八井實驗（ASγ 實驗、ARGO 實驗），更高海拔GRB 實驗（Higher altitude GRBS experiment）也許是羊八井實驗在觀測結果上的印證，并不與其相悖，而是其進一步的補充和完善。

更高海拔GRB 實驗對羊八井實驗的補充項目 ASγ ARGO Higher altitude GRBS experiment 研究方向γ 射線天文學50GeV～TeV短時標、高能量特點 粗、廣；長、續 粗、廣；長、續 精、細；短，靈輔助方向膝區物理100TeV～10PeV心區、成分、譜結構γ 射線天文學100GeV～10TeV普天搜尋、長期監測γ 射線天文學TeV～100TeV膝區物理（逐事例區分成分）超高能（UHE）宇宙線成分能譜量子引力效應

3 結論

想要成功的完成更高海拔GRB 實驗，不光面臨的是實驗設備技術的難題，更需要人們對GRB 研究的不懈努力和認識的不斷深入。目前，雖然有關天文研究機構對我國西藏更高海拔GRB 實驗觀測站進行了實地考察和選址，但其能夠順利實施有待來自社會和科學界在經濟和技術方面的大力支持；對其觀測的可行性更需計算機技術對高能GRB 模擬工作的研究。綜合現今高海拔實驗對GRB 的研究現狀及羊八井實驗的成功運行情況，更高海拔的GRB 實驗將會成為γ 天文學研究的引領者。

[1]周勛秀.用ARGO實驗尋找GeVˉTeV能區的γ * MERGEFORMAT射線暴[M].西南交通大學出版社，2010，5.

[2]譚有恒.我國4300m高度上的高能宇宙線研究[J].天文學進展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實驗尋找100TeV伽馬射線發射[D].中國科學園高能物理研究所博士論文，2010.