γ射线暴高能辐射地面探测实验简单构想

李明辉，樊 旭 ，李昱垚， 刘启科，翁学康西藏大学理学院物理系， 西藏拉萨 850000

0 引言

γ * M E R G E F O R M A 射 线 暴（G a m m a-R a y Bursts,GRBs），是 来 自 宇 宙 空 间 的γ * 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0. 1～1000s * MERGEFORMAT 之间，其辐射能量主要集中在 KeV/ MeV * MERGEFORMAT 波段，光子流量大（0.01～100photons ⋅ cm-2⋅ s-1* MERGEFORMAT）， 等 效于高达 1051～1054erg * MERGEFORMAT 的各向同性辐射能量，而太阳在1010 * MERGEFORMAT 年内辐射的总能量E≈ 1.3 × 1051erg* 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，而我国西藏这个“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。而我国西藏海拔5000m 以上有较多大的平坦面积，如，位于西藏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]：

其中A 是实验的有效探测面积，T 为实验的有效观测时间，θ * MERGEFORMAT 是实验的角度分辨率，FCR* MERGEFORMAT 是 宇 宙 线 强 子 背 景 流 强， Fγ* 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西藏羊八井实验（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。

更高海拔GRB 实验对羊八井实验的补充项目 ASγ ARGO Higher altitude GRBS experiment 研究方向γ 射线天文学50GeV～TeV短时标、高能量特点 粗、广；长、续 粗、广；长、续 精、细；短，灵辅助方向膝区物理100TeV～10PeV心区、成分、谱结构γ 射线天文学100GeV～10TeV普天搜寻、长期监测γ 射线天文学TeV～100TeV膝区物理（逐事例区分成分）超高能（UHE）宇宙线成分能谱量子引力效应

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西藏更高海拔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。

[1]周勋秀.用ARGO实验寻找GeV¯TeV能区的γ * 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.利用西藏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.