COREA School Array Development for the Measurement of Extensive Cosmic Ray Air Shower and the Study of Air Shower Simulations

Abstract

10^(19) eV 이상의 초고에너지 우주선 (Ultra-high energy cosmic rays)은 대기를 지나면서, 대기의 입자와 상호작용하여 수많은 2차 입자들로 이루어진 거대한 대기샤워 (Extensive Air Shower) 현상을 일으키는데, 그 에너지와 방향은 지상에 매우 넓은 면적에 수많은 검출기를 설치하여 이 2차 입자들을 검출함으로써 알아낼 수 있다. COREA (COsmic ray Research and Education Array in Korea) 프로젝트는 한국의 밀집된 학교 분포와 초고속 인터넷 망을 이용하여, 중고등학교와 연계하여 대규모 지상 검출기망을 구축하고자 한다. 그 첫걸음으로서, 3개의 검출기 스테이션을 구성하여 의정부 과학고등학교에 설치하였다. 하나의 검출기 스테이션은 1.0 m²의 검출면적을 가진 4개의 플라스틱 신틸레이터 검출기와 광증배관, 광증배관으로부터 나오는 신호를 처리하기 위한 신호처리장치, 그리고 이 우주선 신호가 검출되는 시각을 정밀하게 기록하기 위한 GPS 시스템으로 이루어져 있다. 신틸레이터에 우주선 신호가 들어오면 이 신호는 광증배관에서 증폭되어 신호처리장치로 보내지며, 신호처리장치는 100 MHz의 속도로 이 신호를 처리하여 디지털 파형으로 저장하고, GPS 시스템에 의한 정확한 시간정보가 같이 기록된다. 이 실험을 통해 독립적인 시스템의 세 검출기 스테이션간에 2차 우주선 입자들에 의한 동시신호가 성공적으로 기록됨을 확인하였고, 이로부터 분당 하나의 대기샤워를 관찰할 수 있었다. 또한, 대기샤워의 특성을 이해하기 위해서 AIRES 시뮬레이션 프로그램을 이용하여, 대기샤워 시뮬레이션을 수행하였으며, 이는 앞으로의 대규모 검출기망 구축에 있어서 효율적인 검출기 배치를 위한 정보를 줄 것이며, 검출기로부터 얻어지는 결과와 비교 분석하는 데 도움을 줄 것이다. 이 논문에서는 일차적으로 설치된 검출기의 테스트 결과와 대기샤워 시뮬레이션 수행 결과를 기술한다.;As an ultra-high energy cosmic ray particle interacts with atmosphere, an Extensive Air Shower (EAS) with billions of secondary particles is generated. The energy and direction of the primary particle can be reconstructed by detecting secondary particles with an array of detectors on the ground. COREA (COsmic ray Research and Education Array in Korea) project is to establish a giant school network array of cosmic ray air shower detector stations with getting benefit from a dense distribution of schools and a high speed internet network. As a prototype study, three prototype detector stations were installed at Uijeongbu Science High school. Each station consists of four 1.0 m²plastic scintillators with a photomultiplier read out, readout electronics and a GPS timing system. When a coincident signal occurs, electronics converts the signal into the digitized waveform with a frequency of 100 MHz. The digitized waveform is combined with the trigger time from a GPS system. Air showers are identified by coincident signals among the three detector stations. The installed detector stations successfully performed the coincidence detection of air shower particles. As a result, we can confirm the coincident signal among three detector stations, and observe shower events. In addition, AIRES air shower simulations have been carried out to study the general characteristics of an air shower. Simulation result will give information how to arrange the detector stations. It will also provide the reference data for the analysis of the physics data gained from detectors. The test result of the prototype detector stations installed at Uijeongbu Science High school and the result of AIRES air shower simulations are presented.