[論文レビュー] Detection of vertical muons with the HAWC water Cherenkov detectors and its application to gamma/hadron discrimination

A. Zuñiga-Reyes, A. Sánchez-Hernández+7 more|arXiv (Cornell University)|Aug 30, 2017

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 3被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、HAWC観測所向けに、水チェレンコフ検出器内のフォトマルチプライヤー管（PMT）間の時間差を利用して垂直ミューオンを同定する、新しいガンマ/バリオン識別変数MUDECIDERを提案する。ミューオンでは中心PMTに対して側方PMT信号に約5 nsの遅れが特徴的であるのを活用し、この性質によりバリオン背景を効果的に抑制できる。シミュレーションでは、カブスネビュラの有意水準が0.67σ（3.5%）上昇した。

ABSTRACT

The HAWC observatory reconstructs atmospheric showers induced by very high-energy primary cosmic- or gamma-rays. Cosmic-rays with hadronic nature are several orders of magnitude more frequent than primary gammas and therefore it is necessary to perform the best gamma-hadron discrimination for each event to be able to survey the gamma-ray sky. Single vertical muons cause very characteristic signals in the 300 HAWC detectors. Particularly, those events that produce signals in the four PMTs of a tank corresponding to muons traversing the tank in the central region. In such cases exist the correlation that the largest signal is also the earliest to arrive, this due to the geometry of the Cherenkov light emission and the fact that relativistic muons travel faster than the light in the medium. This pattern is different from that of electrons, positrons and low energy gammas showering in the first meter of the tank water, which is typical of electromagnetic showers. In this work, we explored whether in air-showers it is possible to identify muon signals and whether this can help in the gamma/hadron discrimination of the recorded events.

研究の動機と目的

• 空気シャワー内のミューオン特徴を同定することで、HAWC観測所におけるガンマ/バリオン識別の向上を図ること。
• 超高エネルギーガンマ線検出において、ガンマ線よりも数千倍も頻度が高いバリオン背景という課題に対処すること。
• 相対論的ミューオンの幾何的特徴を活用した、時間分解能のあるPMT信号に基づく新しい変数の開発。
• 標準キャンドルとしてのカブスネビュラを用いて手法を検証し、有意水準マップへの影響を評価すること。

提案手法

• HAWCタンクの原始的PMTヒットデータを分析し、15 ns以内に4つのPMTがトリガーされたイベントを対象とし、中心PMTに近い垂直ミューオンに注目した。
• 単一タンク内での電子およびミューオンのモンテカルロシミュレーションを用い、ミューオン（平均約5 ns）と電磁シャワー（平均約0 ns）の時間差分布（t_peripheral - t_central）を比較した。
• 新しい変数MUDECIDERを定義した。これは1イベントあたり7 nsを超える時間差の数を数えるもので、ミューオンの特徴的な時間的シグネイチャに基づくミューオン候補を同定する。
• 実データおよびシミュレートされた空気シャワーデータにこの変数を適用し、シャワーの大きさとエネルギーの代理としてnHit（信号のあるPMT数）を用いた。
• 標準フィルタ（PINCness、Compactness）を用いたカブスネビュラの有意水準マップと、MUDECIDERを含めたマップを比較し、性能を評価した。
• 信号対背景比を最大化し、イベント数を削減するように、各シャワーエネルギー領域ごとにMUDECIDERのカット値を最適化した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 HAWC空気シャワーにおいて、PMT信号間の時間差のみを用いて垂直ミューオンを信頼性高く同定できるか？
• RQ2 中心PMTに対して側方PMT信号が約5 ns遅れるという特徴的時間遅れが、ミューオンと電磁シャワーを分離する強力な識別子として機能するか？
• RQ3 ミューオン含有量に基づく新しい変数が、HAWCのエネルギーおよび方向再構築におけるガンマ/バリオン識別を向上させられるか？
• RQ4 MUDECIDERを含めることによる、既知のガンマ線源（例：カブスネビュラ）の有意水準への定量的影響は何か？
• RQ5 nHit（シャワーの大きさを示す指標）で測定したとき、MUDECIDERの性能はシャワーのエネルギーとサイズにどのように依存するか？

主な発見

• ミューオンの側方PMTと中心PMT間の時間差分布は約5 nsでピークを示す一方、電子および低エネルギーガンマ線では0 ns付近に集中し、明確な識別が可能である。
• MUDECIDER変数は、7 nsを超える時間差の数を数えることで、ミューオン候補を効果的に同定した。高多重度イベントでは特徴的な上昇が観察された。
• カブスネビュラの有意水準マップにおいて、MUDECIDERを含めることで最大有意水準が18.53σから19.20σに上昇し、0.67σ（3.5%）の向上を達成した。
• この改善は、イベント数を削減する一方で達成されており、効果的な背景抑制を示している。
• 1シャワーあたりのミューオン候補数は最大で200～230に達し、nHit > 300の高多重度イベントで観測された。これは高エネルギーで広大なシャワーに敏感であることを確認した。
• エネルギー領域（4–9）全体にわたり一貫した挙動を示し、最適化されたカット値により信号対背景比が向上したが、源の局在化精度は劣化しなかった。