利用HERD量能器扩展高能宇宙线电子+正电子通量测量：超越TeV能区的性能研究与前景展望

《Astroparticle Physics》：Study of the performance of the HERD calorimeter for the measurement of the electron flux

本文聚焦于高能宇宙线电子+正电子通量的直接测量难题，为解决当前空间实验因几何接收度有限而无法清晰揭示TeV以上能区潜在的天体物理源或暗物质信号等问题，研究人员模拟评估了即将在2027年安装于中国空间站（CSS）的HERD实验所用新型量能器的性能。研究表明，该量能器凭借其创新的球体设计与LYSO晶体阵列，拥有约2.44 m2sr的大几何因子，能将电子通量的直接测量能量上限扩展至15 TeV以上，能量分辨率在100 GeV以上优于2.1%，并通过先进的电子-质子区分算法有效控制了本底污染。这为未来探索宇宙线膝的起源、鉴别本地高能电子源（如Vela X、Cygnus Loop）及搜寻暗物质间接信号提供了关键工具。

　　

在广袤的宇宙中，高能带电粒子——宇宙线——持续轰击着地球，它们携带着关于极端天体物理过程和宇宙基本组成的密码。其中，电子和正电子（合称电子+正电子）的通量测量，特别是进入TeV（万亿电子伏特）能区后，成为了“寻宝”的关键。科学家们期待从中找到邻近脉冲星、超新星遗迹等天体物理源留下的“指纹”，甚至可能发现神秘暗物质粒子湮灭或衰变的蛛丝马迹。然而，这条寻宝之路充满挑战。当前在轨的空间实验，如CALET和DAMPE，虽然功勋卓著，但受限于探测器大小和重量，其几何接收度（大致可理解为“有效探测面积和视场的乘积”）较小，导致能够精确测量的电子+正电子能量最高只能达到7 TeV左右。这就好比用口径有限的望远镜观测深空，许多微弱但关键的细节被“视而不见”。更棘手的是，在几TeV能区，地面间接实验HESS的测量结果与在轨直接实验的结果存在不一致，真相扑朔迷离。与此同时，能量远超电子的宇宙线质子流强是电子的数千倍，如何在浩如烟海的质子本底中精确筛选出稀有的高能电子信号，是数据分析中必须攻克的难题。为了突破这些瓶颈，将宇宙线的直接探测推向新的高度，下一代空间实验——高能宇宙线探测设施（High Energy cosmic-Radiation Detection facility, HERD）应运而生，并将于2027年搭载于中国空间站（CSS）开启探索之旅。HERD的核心是一个设计独特的量能器，其性能直接决定了科学目标的实现程度。那么，这个新型量能器到底能否担当重任，将电子通量的测量边界推向10 TeV乃至更高，并有效地从质子“海洋”中捞出电子“针”呢？这正是本文发表于《Astroparticle Physics》的研究所要回答的核心问题。

为了评估HERD量能器的性能，研究人员主要采用了基于Geant4的蒙特卡洛模拟技术。他们首先构建了包含约7500块LYSO闪烁晶体（边长3 cm，约2.6倍辐射长度X₀）并以球体形式组装而成的量能器详细几何模型，并模拟了其机械支撑结构（碳纤维）。随后，模拟了各向同性的电子和质子束流轰击探测器。在模拟数据的基础上，应用了针对光电二极管（PD）读出系统的数字化算法，该算法引入了通道增益、电子学噪声、直接电离效应等现实因素，将晶体中的沉积能量转换为模拟的ADC（模数转换）通道读数，并进行了零抑制和能量刻度，以模拟真实的飞行数据处理流程。此外，研究还开发并应用了用于描述电磁簇射和强子簇射三维形状的多种变量，并利用这些变量构建了用于区分电子和质子的预选条件以及两种主要的鉴别算法。

2.1. 事件模拟

研究人员通过Geant4模拟了HERD探测器的响应，生成了各向同性的电子和质子样本，能量覆盖100 GeV至20 TeV范围。模拟中包含了探测器的完整几何结构以及基于实验室和束流测试的电子学响应参数。

2.2. 几何因子

通过模拟不相互作用的“geantino”粒子，研究者估算了HERD量能器的几何因子。在考虑了纵向簇射 containment（要求粒子径迹在量能器活性材料中的长度不少于30倍辐射长度X₀）和地球遮挡（最大天顶角112°）等条件后，得到的有效几何因子约为2.44 m²sr。这比当前在轨的CALET和DAMPE实验的几何因子（分别约为0.12 m²sr和0.3 m²sr）大了一个数量级，是HERD能够探测更高能量、更稀有事件的关键优势。

2.4. 能量重建与分辨率

能量重建通过对量能器中所有晶体记录的能量（经过零抑制和刻度后）进行求和，并应用一个基于径迹在LYSO和碳纤维中长度比例的修正因子，以补偿簇射能量在机械结构中的损失。研究显示，经过修正后，重建能量与模拟初级能量之比的平均值接近1。在选定的几何接受条件下（径迹长度≥30 X₀），HERD量能器对电子的能量分辨率在100 GeV以上能区优于2.1%，展现出优异的性能。不过，在400 GeV至1 TeV能区，分辨率略有上升，这被归因于读出系统从小面积光电二极管（SPD）向大面积光电二极管（LPD）过渡时，电子学噪声影响的变化。

2.5. 电子–质子区分分析

这是本研究的重中之重。由于高能宇宙线中质子的通量远超电子（在TeV能区可达数千倍），高效区分二者对精确测量电子通量至关重要。研究团队定义并计算了多个描述簇射纵向发展（如L10，即径迹末端最后10%部分沉积的能量份额）、横向发展（如Lat4Order，四阶横向矩）和整体形状的变量。首先，他们应用了一套预选条件，以极高的电子效率（>98%）剔除了大部分与电子簇射特征迥异的质子本底（质子剔除效率>97.5%）。随后，他们比较了两种鉴别方法：

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  关联法：利用L10和Lat4Order两个变量的相关性，通过一条直线分割来挑选电子样本。在保持电子效率约85%（低于501 GeV）和75%（高于501 GeV）的情况下，质子污染在大部分能区可控制在10%以下，最高不超过16%。
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  BDT法：使用提升决策树算法，综合了七个不同类别的簇射形状变量进行训练和分类。在设定与关联法相近的电子效率后，该方法表现更优，质子污染在1.5 TeV以下低于1.5%，在直至约16 TeV的整个研究能区内均低于9%。这表明HERD量能器结合先进的机器学习算法，具备在高能区有效鉴别电子的强大能力。

综合以上性能评估，研究者得以预测HERD实验对宇宙线电子+正电子通量的测量能力。基于模拟的电子和质子事件，并依据当前CALET实验测量的电子通量参数化模型对事件进行加权，他们可以估算出在假设的观测时间内HERD能够收集到的电子事件数，并考虑能量分辨率和本底污染的影响。模拟结果表明，凭借其巨大的几何因子、优异的能量分辨率和高效的电子-质子区分能力，HERD量能器有能力将宇宙线电子+正电子通量的高精度直接测量扩展到至少15 TeV，远超当前实验的7 TeV极限。这将为在更高能区搜寻可能存在的本地高能电子源（如船帆座脉冲星风云Vela X、天鹅座圈状星云Cygnus Loop）产生的能谱结构，以及探测可能源于暗物质粒子湮灭/衰变的特征信号开辟新的窗口。此外，对更高能区通量形状的精确测量，也有助于澄清当前直接测量与间接测量（如HESS）在几TeV能区的分歧。

本研究通过详尽的蒙特卡洛模拟，系统评估了未来HERD实验核心探测器——新型球体量能器——用于测量高能宇宙线电子+正电子通量的性能。结论明确而有力：HERD量能器凭借其创新的设计，实现了约2.44 m²sr的大几何因子，比现有实验提升了一个量级，为探测更高能量的稀有宇宙线粒子奠定了基础。其能量分辨率在100 GeV以上优于2.1%，确保了能量测量的精度。最关键的是，通过开发基于簇射形状变量的预选和先进的BDT机器学习算法，研究团队证明即使在TeV以上的高能区，也能在保持高电子选择效率（~75-85%）的同时，将质子本底污染有效控制在9%以下。这些卓越的性能指标共同预示着，HERD将能够把宇宙线电子+正电子通量的直接测量能量上限从目前的约7 TeV显著推进至15 TeV及以上。这项突破不仅有望揭示高能宇宙线“膝”能区（10¹⁵–10¹⁶eV）的起源之谜，检验宇宙线传播模型，更重要的是，它为在数十TeV能区搜寻本地高能电子/正电子天体物理源（如脉冲星风云、超新星遗迹）和暗物质粒子湮灭或衰变的可能间接信号提供了前所未有的灵敏探测工具。HERD实验的成功实施，将极大推动高能天体物理、宇宙线物理和暗物质搜寻等多领域的前沿研究，带领人类对极端宇宙的认知迈入一个崭新的能量疆域。