JEM-EUSO任务旨在通过观测来自太空的空气簇射荧光，探索极端能量宇宙射线EECRs起源。利用超宽视场望远镜从国际空间站俯视夜空，探测空气簇射发出的紫外光子（荧光和Cherenkov光子）。该空间探测器能够一次观测大量大气，且几年运行期间能获得史无前例的统计资料。

1. 引言

最高能量宇宙线范围，也即极端能量宇宙射线EECRs（extreme energy cosmic rays），宽范围宇宙线能谱EECRs很少(the one least)探索。这些粒子到达地球时通量已极其微弱，除了统计精确度低外，现有测量结果在通量方面存在不一致，即出现一个很大的值（见图1）。

图1 不同实验测得的宇宙线粒子谱

最大不确定性在最高能量部分，也即JEM-EUSO任务的目标。

该差异的来源还没完全研究透彻，可能有许多因素。一个原因是能量重建受限于大量空气簇射EAS（extensive air showers）的现有理论理解，这些簇射产生于冲击宇宙粒子与大气之间的相互作用。其产物可由长曝光探测器测量，数据解译为原初粒子的到达方向、能量和质量。加速器并不能很好测量第一次相互作用（截面和次级粒子分布）特征，以及与簇射相关能量相互作用的部分运动学特征（极端正向）。因此，EAS仿真使用外推法，如果采用不同强子相互作用模型或不同观测量，将导致不同解释。另一原因可能是最高能量的两组实验（Pierre Auger Observatory和Telescope Array）位于不同半球，因此观测的天空区域不同。一些理论认为EECR起源于天文学上的附近（<100Mpc）活动星系核AGN（Active Galactic Nuclei），全天空的这些AGNs分布并不一致。

未来实验还需很多努力，来明显提升测量统计和全天覆盖，两者都需要比现有实验更高的曝光量。国际空间站ISS日本舱JEM（Japanese Module）极端宇宙空间观测台EUSO（Extreme Universe Space Observatory）（见图2）是首个致力于EECR科学研究的空间任务。

图2 JEM-EUSO通过大气空气簇射的荧光发射来探测极端能量宇宙线(左图)，JEM-EUSO任务示意图(右图)

 EASs生成各向同性荧光，以及前向切伦科夫光，后者经散射和反射到达望远镜光瞳。

2. JEM-EUSO

2.1. 科学目标

宇宙探索的主要目标是通过国际空间站ISS俯视探测生成于地球大气的大量空气簇射，探测极端能量宇宙线和中微子（见图2）。

主要科学目标是粒子通道的天文和天体物理学。要求重构到达方向和能谱，确认宇宙线来源，需要高收集率，高于目前其它或计划中的实验项目。JEM-EUSO物理计划如下：

（i）E > 5×10¹⁹eV粒子通道天文和天体物理学；

（ii）极端能量伽马线探测；

（iii）极端能量中微子探测；

（iv）银河磁场探索研究；

（v）极端能量基础物理研究（例如洛伦兹不变性测试）；

（vi）夜气辉、等离子体放电、闪电、流星和其它紫外光陆地瞬变现象的全球调查。

由于对整个大气层快速紫外光监视，最后一条有可能实现，这在以前从未实现。具体仿真结果表明，JEM-EUSO三年运行期将发现100个10²⁰eV以上的统计事件，如果存在这些事件，将可判别近源（甚至那些能量中起重要作用的元素组成）。

2.2. 仪器

JEM-EUSO由望远镜、焦面、大气监测系统、校准系统组成。在地面和国际空间站ISS都有支撑和校准系统。望远镜（图3）由4个主要部分组成：3个菲涅尔透镜的采集光学器件、一个焦面探测器、电子器件和结构件。JEM-EUSO 包含一个μs量级高速和高像素化数字相机，直径约2.5m，±30°宽视场，工作在近紫外波段（290-430nm），能单光子计数。

图3 JEM-EUSO望远镜及三组透镜方案（左），焦面和部件示意图（右）

焦面由4932个Hamamatsu的64通道多阳极光电倍增管组成。将其组织成基本晶格，每个4 PMs，137个光探测模块PDM（photo detection modules），每个含9个基本晶格。因此，焦面（图3）由300,000多个像素组成。电子器件处理空气簇射或其它大气瞬变事件的触发器，将重要数据传输至地面供进一步分析。三组菲涅尔透镜将入射紫外光子会聚到焦面，角分辨为0.07°。

大气监测系统AMS是由一个红外相机和一个激光探测与测量LiDAR（Light Detection And Ranging）系统组成，在JEM-EUSO视场连续监测地球大气层，可保证高于500m精度的云顶高度测量。

2.3. 校准

为了进行宇宙线荧光探测，发射前需要校准探测器，以达到最高精度，并在整个任务运行期间监视探测器性能。建立了地面校准台（图4），精确测量计划用于JEM-EUSO的Hamamatsu 64像素MAPMTs的性能。该校准台由光子屏蔽板、均匀光源、MAPMTs读出电子学组成。均匀光通过积分球实现，其光强由附着在积分球上的NIST校准的光电二极管实时监测。为了调研其它可替代探测器件的适应性，进一步研究了最新技术的硅光电倍增管SiPMs。同样将在校准台接受检测，其性能可以与传统光电倍增管做比较。所设计飞行校准系统可连续测量光学器件、焦面探测器和数据获取电子学的效率。

图4 光传感器校准台草图(左),JEM-EUSO原型实验的光探测器模块PDM

2.4  JEM-EUSO性能

图5显示了望远镜光瞳处EAS典型纵剖图。仿真（包括光学系统的传输损耗、焦面效率，及背景光子率）表明，对于事件受限子集，在约3×10¹⁹eV JEM-EUSO达到几乎全效率，E > 5~6×10¹⁹eV全孔径。JEM-EUSO在10²⁰eV年曝光量将超过现有地基观测一个量级。在晴朗天气条件下，将精确重建出簇射几何结构和主要能量，可粗略估计最大量簇射。尽管存在高空薄云，通常称之为卷云，大多数EAS光子穿透云层，只部分衰减。这可能导致低能量重建，然而，已考虑到这种情况，AMS监测云，每次触发EAS信息都已知。簇射轴线几何结构可通过分析EAS信号角速度来正确判别。

图5 晴朗天气时，模拟高能EAS望远镜光瞳每平米的光子到达时间分布

JEM-EUSO巨大优势在于均匀全天空覆盖，源于国际空间站ISS轨道（见图6左图）。JEM-EUSO将是首个获取两个半球EECRs数据的实验，可建立全天空图。这将引发各向异性研究、高能宇宙线源和源区辨别，后者在地基观测还无法实现。

图6 孔径一致性相对偏差和赤纬正弦的关系(左图)（曲线显示了不同天顶角），JEM-EUSO在全视场和对数据极高质量消减情况下的年曝光量(右图)

对于最严格消减，为了与地基实验有很好统计符合，阈值设得足够低。

JEM-EUSO的第二优势（对比现有荧光技术宇宙线实验）是地面大面积观测，也因此探测器的体积大。这将加强极高能宇宙线UHECR（Ultra High Energy Cosmic Rays）事件统计，期望每世纪每平方千米单位立体弧度一个事件。JEM-EUSO将在天底模式下有大观测面积（图6右图），在倾斜模式下约10倍更大观测面积（还未完全探究，但设计ISS仪器可以倾斜一定角度，获得更大地面覆盖率）。

JEM-EUSO对EAS紫外光触发，测量每个临近最大值的EAS本征亮度，准确重建EAS路径，以便可以重构初始EECR的到达方向。详细研究表明，68%事件到达方向的重建精确度可以好于2.5°。至于能量重构，以重建算法现有进展来看，在晴朗天空条件下，在约4×10¹⁹eV（10²⁰eV）量级，质子簇射重构的典型精度△E/E 约25%（20%）。此外，初步结果表明，当E > 10²⁰eV时，视场中心部分的X_max精度可高于70 g/cm²。在0.1~1百万km² sr曝光和全天均匀覆盖条件下，JEM-EUSO将观测至少几百Mpc内所有可能来源方向，并有可能实现（i）根据到达方向分析，以空前的高统计来识别源；（ii）通过单源能量光谱测量来约束加速度或者发射机制。

4. 展望

正在进行测试实验：例如，从大气（EUSO-Balloon）边缘观测荧光背景，在地面用（EUSO-TA）望远镜验证空气簇射的探测能力。

JEM-EUSO是一项3到5年的任务，一开始发射预期是2017年，由于财务经费原因，发射时间将会延后。依靠综合有效的宽量程太空宇宙线观测台(Cosmic Ray Observatory)的想法依然存在，正如NASA的Vernon Jones所概括（图8）。

图8 国际空间站ISS的4个宇宙线探测仪器，将互补宇宙线物理研究诸多领域

文献来源：Andreas Haungs, for the JEM-EUSO Collaboration. Physics Goals and Status of JEM-EUSO and its Test Experiments.  Journal of Physics Conference Series, 2015, 632(1). arXiv.