[論文レビュー] Detectability of Prompt TeV Gamma Rays of Proton Synchrotron Origin from Gamma Ray Bursts by AMANDA/ICECUBE Detectors

Pijushpani Bhattacharjee, Nayantara Gupta|Nov 8, 2002

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 3被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、AMANDAおよびICECUBEニュートリノ検出器を用いて、ガンマ爆発（GRBs）からのプロトン・シンクロtron機構によるプロンプトTeVガンマ線の検出可能性を検討する。宇宙間吸収のためAMANDAでは検出が不可能であるが、ICECUBEでは、赤方偏移z < 0.05の近接GRBsから、10^56 erg/sを超える等方的放射出力を持つTeV光子を検出可能であり、その場合、高エネルギー成分が通常のkeV–MeV放射より著しく明るくなければならない。

ABSTRACT

The detectability of a possible ``high'' energy ($&gt;100\gev$) component of Gamma-Ray Bursts (GRBs) using AMANDA/ICECUBE large area muon detectors is examined within the context of a specific model of such high energy gamma ray production within GRBs, namely, the proton-synchrotron model, which requires protons to be accelerated to ultrahigh energies $\gsim10^{20}\ev$ within GRBs. In this model, the high energy component is distinct from, but may well be emitted in coincidence with, the usual ``low'' (keV--MeV) energy component observed by satellite-borne detectors. The AMANDA/ICECUBE detectors can detect TeV photons by detecting the secondary muons created by the TeV photons in the Earth's atmosphere. We calculate the muon signal to noise ratio in these detectors due to TeV gamma-rays from individual GRBs for various assumptions on their luminosity, distance (redshift), Lorentz Gamma factor of the underlying fireball model, and various spectral characteristics of the GRBs, including the effect of the absorption of TeV photons within the GRB as well as in the intergalactic infrared radiation background. The intergalactic absorption effect essentially precludes detection of TeV photons in the AMANDA detector for reasonable values of the luminosity in the high energy component, but they may well be detectable in the proposed ICECUBE detector which may have an effective area for downward-going muons a factor of 100 larger than that in AMANDA. However, even in ICECUBE, only relatively close-by GRBs at redshifts $&lt; 0.05$ or so can be expected to be detectable with any reasonable degree of confidence. We discuss the requirement on the luminosity of the GRB in the high energy component for its detectability in ICECUBE.

研究の動機と目的

• AMANDAやICECUBEのような氷内ミューオン検出器を用いた、ガンマ爆発（GRBs）からのプロンプトTeVガンマ線の検出可能性を評価すること。
• 10^20 eVを超えるエネルギーに加速された陽子が関与する、高エネルギーガンマ線生成のメカニズムとしてのプロトン・シンクロtronモデルを検討すること。
• ICECUBEにおけるミューオン信号の検出可能条件を、宇宙間吸収および源の透過率を考慮して、必要な放射出力および赤方偏移条件を特定すること。
• 既存のAMANDAと提案されたICECUBE検出器の間の検出可能性の違いを、有効面積の差を考慮して比較すること。
• スペクトルおよび天体物理学的仮定を変化させた場合の、GRBsからのTeV光子が引き起こすミューオンシャワーの信号対雑音比を定量化すること。

提案手法

• 強磁場内での超高エネルギー陽子がシンクロtron放射を放出することでTeVガンマ線を生成するガンマ爆発火球内でのプロトン・シンクロtron放射過程をモデル化する。
• 火球のローレンツ因子、磁場強度、および陽子エネルギー分布に基づいて、TeVガンマ線のスペクトルおよび放射出力を計算する。
• GRB源内および宇宙間赤外背景放射内での対生成による光学的厚さを推定し、光子吸収の程度を評価する。
• 大気中で引き起こされるシャワー過程（ミューオン生成および検出器への伝播を含む）をシミュレーションする。
• 検出器の幾何構造および有効面積を用いて、個々のGRBsに対するAMANDAおよびICECUBE検出器における期待されるミューオン信号率および信号対雑音比を計算する。
• ビーム効果および集光効果を補正し、ジェット状放射の場合は、必要放射出力をΩ/4πの係数で低減する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ガンマ爆発内でのプロトン・シンクロtron放射によって生成されたTeVガンマ線は、AMANDAまたはICECUBE検出器で検出可能か？
• RQ2 宇宙間吸収を考慮した場合、ICECUBEで検出可能なミューオン信号を得るための高エネルギー成分の必要な等方的放射出力はどの程度か？
• RQ3 宇宙間赤外背景放射による吸収は、異なる赤方偏移におけるGRBsからのTeV光子の検出可能性にどのように影響するか？
• RQ4 内部対生成による源の透過率が、高エネルギー光子のGRBからの脱出に与える影響は何か？
• RQ5 AMANDAとICECUBEの間の有効面積の違いは、GRBsからのTeV光子の検出可能性にどのように影響するか？

主な発見

• 宇宙間赤外背景によるTeV光子の吸収のため、高エネルギー成分の合理的な放射出力を持つ限り、現在稼働中のAMANDA検出器では検出が不可能である。
• 有効面積がAMANDAのおよそ100倍大きいとされる予想されるICECUBE検出器では、十分に近いGRBsからのTeV光子を検出可能である。
• 赤方偏移z < 0.05程度のGRBsのみが、強い吸収のため高赤方偏移で検出可能であると予想される。
• TeVガンマ線成分の必要な等方的放射出力は10^56 erg/sを超える必要があり、これはBATSEが観測した通常のkeV–MeV放射出力よりも3〜4桁明るくなければならない。
• 陽子のシンクロtron放射出力がその脱出放射出力を超える条件は、E_pb < 2.72 × (E_p,min × E_p,max)^1/2 で与えられ、妥当なGRBパラメータのもとで満たされる可能性がある。
• 陽子スペクトル指数α_p = 2の場合、陽子エネルギー分布および磁場強度が適切な場合に限り、プロトン・シンクロtron機構は検出可能な高エネルギー成分を生成できる。