[論文レビュー] FACT - The First G-APD Cherenkov Telescope: Status and Results

T. Bretz, H. Anderhub+53 more|arXiv (Cornell University)|Aug 7, 2013

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 1被引用数 8

ひとこと要約

FACTは、焦点面にシリコンフォトマルチプライヤー（G-APDs）を採用した最初のチェレンコフ望遠鏡であり、変動する環境条件下でも安定した長期運転を実証し、高い光子検出効率と耐障害性を示した。50時間の観測で8% Crabの感度を達成し、Mrk501の強いフレアを含む明るいTeVブラザラーの監視に成功した。これにより、G-APDsは大気チェレンコフ望遠鏡における従来のPM Tsの代替として実用的でコスト効果的な選択肢であることが証明された。

ABSTRACT

The First G-APD Cherenkov telescope (FACT) is the first telescope using silicon photon detectors (G-APD aka. SiPM). It is built on the mount of the HEGRA CT3 telescope, still located at the Observatorio del Roque de los Muchachos, and it is successfully in operation since Oct. 2011. The use of Silicon devices promises a higher photon detection efficiency, more robustness and higher precision than photo-multiplier tubes. The FACT collaboration is investigating with which precision these devices can be operated on the long-term. Currently, the telescope is successfully operated from remote and robotic operation is under development. During the past months of operation, the foreseen monitoring program of the brightest known TeV blazars has been carried out, and first physics results have been obtained including a strong flare of Mrk501. An instantaneous flare alert system is already in a testing phase. This presentation will give an overview of the project and summarize its goals, status and first results.

研究の動機と目的

• 実環境下におけるチェレンコフ望遠鏡の焦点面でG-APD（ゲーゲルモードアバランチフォトダイオード）の長期的安定性と信頼性を実証すること。
• 従来のフォトマルチプライアータイプ（PMT）に代わってシリコンベースのセンサーを採用することで、光子検出効率の向上、作動電圧の低減、システム全体の耐障害性の強化を図ること。
• 温度および照度変動に伴うG-APDゲインの安定化を実現するため、電流および温度測定に基づくフィードバック制御システムの開発と実装。
• 明るいTeVブラザラーの長期的モニタリングを可能にする、継続的で遠隔操作可能かつロボット化された運用体制の構築。
• 将来の大規模プロジェクト（例えば、チェレンコフ望遠鏡アレイ（CTA））におけるG-APDの実用可能性を検証すること。

提案手法

• 再利用可能なHEGRA CT3望遠鏡に、1440個の個別に読み出し可能なG-APDチャンネル（Hamamatsu MPPC S10362-33-50C）を搭載したカメラを装着し、光集光効率を向上させるために固体光集光器を採用。
• TCP/IPによるデータ転送と、9チャンネル分の信号を合算した信号に基づくトリガ論理を備えたドミノリングサンプリング（DRS4）読み出しシステムを実装。
• 焦点面に配置された31個のセンサーから得られる電流および温度データをリアルタイムで使用し、バイアス電圧を調整するフィードバック制御システムを統合。
• G-APD電流の変動に起因するIR降下を補償するため、抵抗素子と電流モニタリングを組み合わせた電圧補正ネットワークを採用。
• JavaScriptエンジンを搭載したウェブベースのスケジューリングおよび制御システムを導入し、人的介入を最小限に抑えた完全自動化された遠隔運用を実現。
• データ取得後数分以内に実行される自動データ解析パイプラインを開発し、即時のフレアアラートを可能にした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 G-APDは、温度および背景光の変動する条件下でも、チェレンコフ望遠鏡の焦点面で長期運用において安定した性能を維持できるか？
• RQ2 電流および温度測定に基づくフィードバック制御システムは、G-APDゲイン安定化のための外部キャリブレーションをどれほど代替できるか？
• RQ3 月光や大気条件の変化に伴い、望遠鏡のエネルギー閾値はどのように変化するか。また、その変化を正確に予測可能か？
• RQ4 G-APDベースの望遠鏡が、クレブネバ状のような標準的なVHEガンマ線源に対して達成可能な感度およびエネルギー閾値は何か？
• RQ5 リアルタイム解析を備えた完全自動化・遠隔制御システムは、変動するTeVブラザラーの長期的モニタリングに成功するか？

主な発見

• FACT望遠鏡は、G-APD関連のハードウェア故障を一切経験せず、20か月以上にわたり安定した運用を継続しており、性能や光子検出効率に顕著な劣化は観測されなかった。
• 電流および温度測定に基づくフィードバック制御により、温度および背景光レベルに依存しないG-APDゲインの安定化が数パーセント以内で達成された。
• 過剰イベント率と既知の源スペクトルをもとに、クレブネバ状に対してエネルギー閾値は400 GeVから700 GeVの間であると推定された。
• 50時間の観測で8% Crabの感度を達成し、微弱なVHE源の検出能力を実証した。
• G-APD電流を直接測定することで、トリガ閾値をリアルタイムに安定化させ、外部キャリブレーション装置の不要化に成功した。
• データ取得時間と同等の時間で実行される自動解析により、近似リアルタイムでのフレアアラートが可能となった。