Höghöjdsvatten Cherenkov-experiment

HAWC 14 augusti 2014

High Altitude Water Cherenkov Experiment eller High Altitude Water Cherenkov Observatory (även känt som HAWC ) är ett observatorium för gammastrålning och kosmisk strålning beläget på flankerna av vulkanen Sierra Negra i den mexikanska delstaten Puebla på 4100 meters höjd, kl. . HAWC är efterträdaren till Milagro gammastrålningsobservatorium i New Mexico , som också var ett gammastrålningsobservatorium baserat på principen att detektera gammastrålar indirekt med hjälp av vatten Cherenkov-metoden .

HAWC är ett gemensamt samarbete mellan ett stort antal amerikanska och mexikanska universitet och vetenskapliga institutioner, inklusive University of Maryland , National Autonomous University of Mexico , National Institute of Astrophysics, Optics and Electronics, Los Alamos National Laboratory , NASA / Goddard Space Flight Center , University of California, Santa Cruz , Michigan Technological University , Michigan State University , Benemérita Universidad Autónoma de Puebla , Universidad de Guadalajara , University of Utah , University of New Mexico , University of Wisconsin–Madison och Georgia Tekniska högskolan .

HAWC med Pico de Orizaba i bakgrunden, augusti 2014

Översikt

HAWC Gamma-ray Observatory är ett brett synfält , kontinuerligt arbetande TeV -gammastrålningsteleskop som utforskar ursprunget till kosmiska strålar , studerar partiklars acceleration i extrema fysiska miljöer och söker efter ny TeV-fysik. HAWC byggdes på en höjd av 4100 m över havet i Mexiko av ett samarbete mellan 15 amerikanska och 12 mexikanska institutioner, och det drivs med finansiering från US National Science Foundation, US Department of Energy och CONACyT ( Mexikos vetenskapsfinansieringsbyrå ). HAWC färdigställdes våren 2015 och består av en uppsättning av 300 vatten Cherenkov-detektorer . Den är designad för att vara mer än en storleksordning känsligare än sin föregångare Milagro.

HAWC övervakar den norra himlen och gör sammanfallande observationer med andra observatorier med stort synfält. HAWC arbetar med andra observatorier, såsom VERITAS , HESS , MAGIC , IceCube och senare, CTA , så att de kan göra överlappande observationer med flera våglängder och flera budbärare och för att maximera sammanfallande observationer med Fermi Gamma-ray Space Telescope (Fermi) .

HAWC har förmågan att detektera en stor ensemble av gammastrålkällor, mäta deras spektra och variabilitet för att karakterisera accelerationsmekanismer i TeV-skala. I en ettårig undersökning kan HAWC utföra en djup, opartisk undersökning av TeV-gammastrålningen med en känslighet på 50 mCrab vid 5 σ . HAWC kommer att observera hårdspektrum ( höga fotonenergier) galaktiska källor i TeV med en känslighet som liknar den för Fermi i GeV, detektera diffusa emissioner från områden på det galaktiska planet, ha känslighet för att se kända TeV aktiva galaktiska kärnor och de ljusaste kända GeV -gammastrålningskurar och representerar ett tillräckligt stort steg i känslighet för att sannolikt upptäcka nya fenomen. Eftersom HAWC har ett ögonblickligt synfält på två steradianer , kommer det att observera diffus gammastrålning från galaxens plan över ett brett spektrum av galaktiska longituder som når till det galaktiska centrumet.

I september 2015 tilldelades ett laboratoriestyrt forsknings- och utvecklingsbidrag till Brenda Dingus från Los Alamos National Laboratory för att förbättra HAWC:s effektiva yta och känslighet genom att lägga till en uppsättning stödbenstankar som omger de större centrala tankarna. På grund av den större storleken på partikelskurar som skapas av kosmiska strålar med hög energi, kommer en ökning av detektorns yta att öka detektorns känslighet. Stödbenen förutspåddes öka känsligheten och det effektiva området för HAWC med 2 till 4 gånger för partiklar med energier över 10 TeV. Stödbensarrayen färdigställdes i början av 2018, ett år senare än väntat.

Funktionsprincip

HAWC upptäcker elektromagnetisk strålning från luftskurar producerade av kosmiska strålar med hög energi som träffar jordens atmosfär. HAWC är känsligt för duschar som produceras av primär kosmisk strålning med energier mellan 100 GeV och 50 TeV.

Cherenkov-strålning uppstår när laddade partiklar färdas genom ett medium med en hastighet som är snabbare än ljusets hastighet i det mediet. Högenergetiska gammastrålar, när de träffar den övre atmosfären, kan skapa positron - elektronpar som rör sig med stora hastigheter. Den kvarvarande effekten av dessa partiklar som färdas genom atmosfären kan resultera i en kaskadregn av partiklar och fotoner som riktas mot ytan i förutsägbara vinklar.

HAWC består av stora metalltankar, 7,3 m breda och 5 m höga, innehållande en ljustät blåsa som rymmer 188 000 liter vatten. Inuti finns fyra fotomultiplikatorrör (3-8" och 1-10" hög QE). Högenergipartiklar som träffar vattnet resulterar i Cherenkov-ljus som detekteras av fotomultiplikatorrören. HAWC använder skillnaden i ankomsttider för ljuset vid olika tankar för att mäta primärpartikelns riktning. Ljusmönstret gör det möjligt att skilja mellan primära ( hadroner ) och gammastrålar. Från detta kan forskare kartlägga himlen med hjälp av gammastrålar.

Närbild av HAWC-tankar. Varje tank innehåller cirka 188 000 liter vatten och fyra fotomultiplikatorrör.

Prestationsmål

HAWC kommer:

Upptäck ett stort urval av lokaliserade gammastrålkällor och mät deras spektra och variabilitet för att karakterisera accelerationsmekanismer i TeV-skala från en ensemble av källor.
Ha en känslighet på 50 mCrab vid 5σ i en ettårig undersökning. HAWC kommer att observera hårdspektrum galaktiska källor vid TeV-energier med en känslighet som liknar den för Fermi Gamma-ray Space Telescope vid GeV-energier, detektera diffusa emissioner från områden på det galaktiska planet, ha känslighet för att se kända TeV-aktiva galaktiska kärnor (AGN) och de ljusaste kända GeV-gammastrålningsskurarna (GRB), och representerar ett tillräckligt stort steg i känslighet för att sannolikt upptäcka nya fenomen.
Mät spektrumet och spatialt karakterisera den diffusa TeV-emissionen från Vintergatans galax för att undersöka det kosmiska strålflödet i andra delar av galaxen.
Observera extragalaktiska transienta källor, såsom GRB och AGN, och meddela andra observatörer omgående så att de kan göra observationer med flera våglängder och flera budbärare.
Utför en djup, opartisk undersökning av TeV gammastrålning och kosmisk strålning himlen för att förstå TeV astrofysiska källor tillräckligt för att söka efter nya fundamentala fysikeffekter.
Ha ett ögonblickligt synfält på två steradianer (sr) för att tillåta observationer av diffus gammastrålning från galaxens plan över ett brett spektrum av galaktiska longituder som når till det galaktiska centrumet. Detta breda synfält gör det också möjligt för HAWC att observera fenomen som GRB:er, som är sällsynta, från okända riktningar och varar bara några sekunder. HAWC kan därmed upptäcka nya TeV-källor och observera fladning i kända källor som kanske inte har någon lågenergimotsvarighet, dvs. föräldralösa TeV-flammor från AGN som är signaturer för hadronisk acceleration.
Kör i minst fem år med >90 % arbetscykel, vilket ger den tillräcklig exponering för att mäta de låga flödena vid högre energier och tillräckligt länge för att detektera och övervaka en mängd olika transienta källor.
Ha en medianenergi under 1 TeV för ett krabbaliknande spektrum, vilket behövs för att observera extragalaktiska källor som dämpas vid höga energier genom parproduktion med intergalaktiska fotoner.
Ha en >95 % hadronisk bakgrundsavstötning för E >10 TeV genom att särskilja de penetrerande partiklarna i de hadroninitierade bakgrundsskurarna från de gammastrålningsinitierade elektromagnetiska duscharna.
Ha en vinkelupplösning på <0,5 ^o för E >1 TeV och 0,25 ^o för E >10 TeV. Denna upplösning förbättrar HAWC:s flödeskänslighet genom att förkasta den isotropiska bakgrunden och tillhandahåller källlokaliseringar som är tillräckliga för målsökning av andra detektorer och för att bestämma källans rumsliga morfologi. HAWC kan också upptäcka utökade källor som kan utlösa djupa observationer av IACTs .

Vetenskapsmål

Galaktiska källor vid höga energier

Victor Hess upptäckte den 1912. Den kosmiska strålens energispektrum sträcker sig från några få GeV till över 10 ²⁰ eV. Ännu finns det inga experimentella bevis för övergången från galaktisk till extragalaktisk kosmisk strålning, även om man tror att kosmiska strålar under cirka 10 ^17,5 eV är av galaktiskt ursprung. Även om det råder enighet om att explosioner av supernovor (SN) accelererar kosmiska strålar upp till energier på ~10 ¹⁵ eV, har experimentella bevis varit svåra att få fram. De teoretiska argumenten bygger på att energin som frigörs i SN är tillräcklig för att upprätthålla de observerade kosmiska strålarna i galaxen, och skapandet av starka stötar av SN som möjliggör första ordningens Fermi-acceleration. Uppgifterna för framtida experiment är alltså att bekräfta att supernovor är platser för accelerationen av hadroniska kosmiska strålar upp till knäet, och att fastställa källorna till de galaktiska kosmiska strålarna över 10 15 ^eV .

Galaktisk diffus emission

Den diffusa gammastrålningen från vår galax undersöker också ursprunget till kosmiska strålar. Denna strålning beror på växelverkan mellan hadroniska kosmiska strålar med interstellär gas och efterföljande sönderfall av neutrala pioner, och växelverkan mellan högenergielektroner med gas- och strålningsfält (radio, mikrovågsugn, infraröd, optisk, UV och magnetisk). Om fördelningen av materia och strålning är känd genom andra mätningar, gör kunskap om den diffusa emissionen att man kan mäta det kosmiska strålflödet och spektrumet i hela galaxen. Denna information kan användas för att bestämma de regioner i galaxen där partikelacceleration nyligen har inträffat.

Övergående emission från AGN och krabban

Över 20 aktiva galaktiska kärnor (AGN) har detekterats i gammastrålar med mycket hög energi (VHE) och extrema flammor på upp till 50 gånger det vilande flödet har observerats. Gammastrålar produceras via interaktioner mellan högenergielektroner och/eller protoner med fotoner med lägre energi. Det finns flera modeller för att förklara källan till fotoner inklusive: synkrotronemission från samma population av elektroner, strålning från ackretionsskivan och kosmiska mikrovågsbakgrundsfotoner . Samtidiga observationer med användning av flera våglängder och multi-budbärare krävs för att skilja mellan dessa modeller. Övervakning vid VHE-energier är en effektiv mekanism för att initiera sådana observationer eftersom gammastrålar med högsta energi uppvisar den mest extrema variabiliteten och undersöker de högsta energipartiklarna. HAWC kommer att ha känsligheten för att upptäcka starka flammor, såsom de som har observerats från Markarian 421 , vid mer än 10σ på under 30 minuter.

Gammastrålning

Fermi-satelliten har nu observerat både långa och korta gammastrålar som sänder ut multi-GeV gammastrålar. Ingen högenergiavbrott observeras i någon av dessa GRB, och den högsta energigammastrålningen som observerats i de tre ljusaste skurarna sändes ut (dvs korrigerad för den observerade rödförskjutningen ) vid energier på 70, 60, 94 och 61 GeV i GRB:er 080916C , 090510, 090902B respektive 090926. Gammastrålar med högsta energi kräver en bulk Lorentz-faktor av utflödet på nästan 1000 för att viloramsenergierna och fotondensiteterna ska vara tillräckligt låga för att undvika dämpning av parproduktionsinteraktioner. Fermi-LAT-observationerna visar att den mest intensiva GeV-emissionen sker omedelbart och sträcker sig även längre än emissionen vid lägre energier. Det krävs ett brett synfält och ett observatorium med hög arbetsfaktor, såsom HAWC, för att observera denna snabba emission och bestämma dess omfattning vid höga energier, särskilt för en skur som 090510, där den snabba emissionen var mindre än en halv sekund .

HAWC har känsligheten att fortsätta dessa observationer in i VHE-området. Den effektiva arean för HAWC vid 100 GeV (~100m ² ) är mer än 100 gånger den för Fermi-LAT.

Kosmiska strålar vid TeV-energier

HAWC är en mycket känslig detektor för TeV kosmisk strålning. Det stora antalet kosmiska strålar som detekteras med HAWC bildar en oönskad bakgrund i sökandet efter gammastrålkällor, men det tillåter också exakta mätningar av små avvikelser från isotropi i det kosmiska strålflödet. Under de senaste åren har kosmiska strålningsdetektorer på norra och södra halvklotet hittat anisotropi i ankomstriktningsfördelningen av TeV kosmiska strålar på promillenivå. Eftersom vi förväntar oss att de laddade partiklarnas ankomstriktningar vid dessa energier ska vara fullständigt förvrängda av galaktiska magnetfält, är dessa avvikelser överraskande och antyder att utbredningen av kosmiska strålar från deras källor till oss inte förstås. Att kartlägga ankomstriktningsfördelningen av kosmiska strålar för att studera anisotropin med ökad känslighet är ett viktigt vetenskapsmål för HAWC.

Grundläggande fysik

Astrofysiska observationer med hög energi har den unika potentialen att utforska grundläggande fysik. Men att härleda grundläggande fysik från de astrofysiska observationerna är komplext och kräver en djup förståelse av de astrofysiska källorna. Den astrofysiska bakgrunden måste förstås för att bestämma avvikelserna från denna bakgrund på grund av ny fysik. I vissa fall kan astronomer hjälpa till med förståelsen av den astrofysiska bakgrunden, som att använda supernovor som standardljus för att mäta mörk energi. Men högenergifysiker måste upptäcka och förklara astrofysiska fenomen med hög energi för att kunna härleda den grundläggande fysiken. HAWC:s djupa undersökning av TeV-gammastrålehimlen kommer att ge en opartisk bild som är nödvändig för att karakterisera egenskaperna hos de astrofysiska källorna för att söka efter nya fundamentala fysikeffekter. Exempel på HAWC-utredningar inkluderar:

Begränsa förekomsten av närliggande mörk materia . HAWC:s opartiska undersökning av 2π sr av TeV-himlen tillåter sökningar på kända och okända dvärgsfäroidala satelliter i vår galax. Antalet satelliter ökar med minskande massa så det kan finnas mycket närliggande klumpar av mörk materia, som därför skulle ha högre gammastrålningsflöden, men kanske inte har optiska motsvarigheter. De kända sfäroidala dvärggalaxerna har utbredningar på upp till ~1 grad vilket är väl matchat med HAWC:s vinkelupplösning på <0,5 ^o . En staplad analys av dessa satelliter skulle förbättra gränsen eftersom alla kommer att ha samma gammastrålningsspektra.
Testa Lorentz invarians med transienta gammastrålningsobservationer. Många kvantgravitationsteorier förutspår att ljusets hastighet beror på fotons energi som: Δc/c = -(E/M _QGn ) ⁿ där n=1 eller 2. Medan M _QG kan vara Planck-massan (2,4x10 ¹⁸⁾ GeV), förutspår vissa teorier mycket mindre massskalor. För teorier där n=1 har Fermi-LAT-samarbetet satt gränser över Planck-massan, och HAWC kommer att ha liknande känslighet om en GRB detekteras. För teorier där n=2 kommer den högre energikänsligheten hos HAWC att leda till gränser som är ungefär en storleksordning högre massskala än vad som är möjligt med Fermi-LAT.
Mätning av dämpningen av astrofysiska källor på grund av interaktioner med det extragalaktiska bakgrundsljuset ( EBL). HAWC kommer att göra det möjligt att observera flera källor i olika flammande tillstånd för att förstå det inneboende TeV-spektrumet. Nuvarande begränsningar på EBL gör ett konservativt antagande om ett mycket hårt inre spektrum och är mycket nära det maximala tillåtna från galaxräkningar. Dessa observationer har lett till antaganden om förekomsten av axioner för att minska dämpningen av TeV-emission från EBL.
Söker efter exotiska signaler som massiva relikpartiklar, t.ex. supersymmetri Q-bollar och tau-neutriner . Särskilda triggers kommer att utvecklas, vilket gör att HAWC kan söka efter de långsamma och höga dE/dx Q-bollarna och de horisontella luftskurarna som produceras av tau-neutriner som interagerar i det närliggande berget.

HAWC-finansiering

HAWC:s konstruktion och drift finansieras gemensamt av US National Science Foundation , US Department of Energy Office of High-Energy Physics och Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACyT) i Mexiko och Laboratory Directed Research and Development (LDRD)-programmet för Los Alamos National Laboratory.

Andra viktiga finansieringskällor är:

Red de Física de Altas Energías, México
DGAPA-UNAM, Mexiko, beviljar IN105211, IN112910, IN121309, IN115409 och IA102715
VIEP-BUAP, México, anslag 161-EXC-2011
University of Wisconsin Alumni Research Foundation, USA
Institute of Geophysics, Planetary Physics, and Signatures (IGPPS) vid Los Alamos National Laboratory (LANL), USA
University of Maryland, USA

Resultat

2017 tillkännagav HAWC den första mätningen av det kosmiska strålspektrumet och nya resultat på det observerade positronöverskottet av antimateria .

Se även

externa länkar

Media relaterade till High Altitude Water Cherenkov Experiment på Wikimedia Commons
HAWC:s officiella hemsida