《Astroparticle Physics》：Study of the performance of the HERD calorimeter for the measurement of the electron flux
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本文聚焦于高能宇宙線電子+正電子通量的直接測量難題，為解決當前空間實驗因幾何接收度有限而無法清晰揭示TeV以上能區潛在的天體物理源或暗物質信號等問題，研究人員模擬評估了即將在2027年安裝于中國空間站（CSS）的HERD實驗所用新型量能器的性能。研究表明，該量能器憑借其創新的球體設計與LYSO晶體陣列，擁有約2.44 m2sr的大幾何因子，能將電子通量的直接測量能量上限擴展至15 TeV以上，能量分辨率在100 GeV以上優于2.1%，并通過先進的電子-質子區分算法有效控制了本底污染。這為未來探索宇宙線膝的起源、鑒別本地高能電子源（如Vela X、Cygnus Loop）及搜尋暗物質間接信號提供了關鍵工具。
在廣袤的宇宙中，高能帶電粒子——宇宙線——持續轟擊著地球，它們攜帶著關于極端天體物理過程和宇宙基本組成的密碼。其中，電子和正電子（合稱電子+正電子）的通量測量，特別是進入TeV（萬億電子伏特）能區后，成為了“尋寶”的關鍵。科學家們期待從中找到鄰近脈沖星、超新星遺跡等天體物理源留下的“指紋”，甚至可能發現神秘暗物質粒子湮滅或衰變的蛛絲馬跡。然而，這條尋寶之路充滿挑戰。當前在軌的空間實驗，如CALET和DAMPE，雖然功勛卓著，但受限于探測器大小和重量，其幾何接收度（大致可理解為“有效探測面積和視場的乘積”）較小，導致能夠精確測量的電子+正電子能量最高只能達到7 TeV左右。這就好比用口徑有限的望遠鏡觀測深空，許多微弱但關鍵的細節被“視而不見”。更棘手的是，在幾TeV能區，地面間接實驗HESS的測量結果與在軌直接實驗的結果存在不一致，真相撲朔迷離。與此同時，能量遠超電子的宇宙線質子流強是電子的數千倍，如何在浩如煙海的質子本底中精確篩選出稀有的高能電子信號，是數據分析中必須攻克的難題。為了突破這些瓶頸，將宇宙線的直接探測推向新的高度，下一代空間實驗——高能宇宙線探測設施（High Energy cosmic-Radiation Detection facility, HERD）應運而生，并將于2027年搭載于中國空間站（CSS）開啟探索之旅。HERD的核心是一個設計獨特的量能器，其性能直接決定了科學目標的實現程度。那么，這個新型量能器到底能否擔當重任，將電子通量的測量邊界推向10 TeV乃至更高，并有效地從質子“海洋”中撈出電子“針”呢？這正是本文發表于《Astroparticle Physics》的研究所要回答的核心問題。
為了評估HERD量能器的性能，研究人員主要采用了基于Geant4的蒙特卡洛模擬技術。他們首先構建了包含約7500塊LYSO閃爍晶體（邊長3 cm，約2.6倍輻射長度X0）并以球體形式組裝而成的量能器詳細幾何模型，并模擬了其機械支撐結構（碳纖維）。隨后，模擬了各向同性的電子和質子束流轟擊探測器。在模擬數據的基礎上，應用了針對光電二極管（PD）讀出系統的數字化算法，該算法引入了通道增益、電子學噪聲、直接電離效應等現實因素，將晶體中的沉積能量轉換為模擬的ADC（模數轉換）通道讀數，并進行了零抑制和能量刻度，以模擬真實的飛行數據處理流程。此外，研究還開發并應用了用于描述電磁簇射和強子簇射三維形狀的多種變量，并利用這些變量構建了用于區分電子和質子的預選條件以及兩種主要的鑒別算法。
2.1. 事件模擬
研究人員通過Geant4模擬了HERD探測器的響應，生成了各向同性的電子和質子樣本，能量覆蓋100 GeV至20 TeV范圍。模擬中包含了探測器的完整幾何結構以及基于實驗室和束流測試的電子學響應參數。
2.2. 幾何因子
通過模擬不相互作用的“geantino”粒子，研究者估算了HERD量能器的幾何因子。在考慮了縱向簇射 containment（要求粒子徑跡在量能器活性材料中的長度不少于30倍輻射長度X0）和地球遮擋（最大天頂角112°）等條件后，得到的有效幾何因子約為2.44 m2sr。這比當前在軌的CALET和DAMPE實驗的幾何因子（分別約為0.12 m2sr和0.3 m2sr）大了一個數量級，是HERD能夠探測更高能量、更稀有事件的關鍵優勢。
2.4. 能量重建與分辨率
能量重建通過對量能器中所有晶體記錄的能量（經過零抑制和刻度后）進行求和，并應用一個基于徑跡在LYSO和碳纖維中長度比例的修正因子，以補償簇射能量在機械結構中的損失。研究顯示，經過修正后，重建能量與模擬初級能量之比的平均值接近1。在選定的幾何接受條件下（徑跡長度≥30 X0），HERD量能器對電子的能量分辨率在100 GeV以上能區優于2.1%，展現出優異的性能。不過，在400 GeV至1 TeV能區，分辨率略有上升，這被歸因于讀出系統從小面積光電二極管（SPD）向大面積光電二極管（LPD）過渡時，電子學噪聲影響的變化。
2.5. 電子–質子區分分析
這是本研究的重中之重。由于高能宇宙線中質子的通量遠超電子（在TeV能區可達數千倍），高效區分二者對精確測量電子通量至關重要。研究團隊定義并計算了多個描述簇射縱向發展（如L10，即徑跡末端最后10%部分沉積的能量份額）、橫向發展（如Lat4Order，四階橫向矩）和整體形狀的變量。首先，他們應用了一套預選條件，以極高的電子效率（>98%）剔除了大部分與電子簇射特征迥異的質子本底（質子剔除效率>97.5%）。隨后，他們比較了兩種鑒別方法：
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關聯法：利用L10和Lat4Order兩個變量的相關性，通過一條直線分割來挑選電子樣本。在保持電子效率約85%（低于501 GeV）和75%（高于501 GeV）的情況下，質子污染在大部分能區可控制在10%以下，最高不超過16%。
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BDT法：使用提升決策樹算法，綜合了七個不同類別的簇射形狀變量進行訓練和分類。在設定與關聯法相近的電子效率后，該方法表現更優，質子污染在1.5 TeV以下低于1.5%，在直至約16 TeV的整個研究能區內均低于9%。這表明HERD量能器結合先進的機器學習算法，具備在高能區有效鑒別電子的強大能力。
綜合以上性能評估，研究者得以預測HERD實驗對宇宙線電子+正電子通量的測量能力。基于模擬的電子和質子事件，并依據當前CALET實驗測量的電子通量參數化模型對事件進行加權，他們可以估算出在假設的觀測時間內HERD能夠收集到的電子事件數，并考慮能量分辨率和本底污染的影響。模擬結果表明，憑借其巨大的幾何因子、優異的能量分辨率和高效的電子-質子區分能力，HERD量能器有能力將宇宙線電子+正電子通量的高精度直接測量擴展到至少15 TeV，遠超當前實驗的7 TeV極限。這將為在更高能區搜尋可能存在的本地高能電子源（如船帆座脈沖星風云Vela X、天鵝座圈狀星云Cygnus Loop）產生的能譜結構，以及探測可能源于暗物質粒子湮滅/衰變的特征信號開辟新的窗口。此外，對更高能區通量形狀的精確測量，也有助于澄清當前直接測量與間接測量（如HESS）在幾TeV能區的分歧。
本研究通過詳盡的蒙特卡洛模擬，系統評估了未來HERD實驗核心探測器——新型球體量能器——用于測量高能宇宙線電子+正電子通量的性能。結論明確而有力：HERD量能器憑借其創新的設計，實現了約2.44 m2sr的大幾何因子，比現有實驗提升了一個量級，為探測更高能量的稀有宇宙線粒子奠定了基礎。其能量分辨率在100 GeV以上優于2.1%，確保了能量測量的精度。最關鍵的是，通過開發基于簇射形狀變量的預選和先進的BDT機器學習算法，研究團隊證明即使在TeV以上的高能區，也能在保持高電子選擇效率（~75-85%）的同時，將質子本底污染有效控制在9%以下。這些卓越的性能指標共同預示著，HERD將能夠把宇宙線電子+正電子通量的直接測量能量上限從目前的約7 TeV顯著推進至15 TeV及以上。這項突破不僅有望揭示高能宇宙線“膝”能區（1015–1016eV）的起源之謎，檢驗宇宙線傳播模型，更重要的是，它為在數十TeV能區搜尋本地高能電子/正電子天體物理源（如脈沖星風云、超新星遺跡）和暗物質粒子湮滅或衰變的可能間接信號提供了前所未有的靈敏探測工具。HERD實驗的成功實施，將極大推動高能天體物理、宇宙線物理和暗物質搜尋等多領域的前沿研究，帶領人類對極端宇宙的認知邁入一個嶄新的能量疆域。
