[論文レビュー] First Results from HAWC on GRBs

D. Lennarz, I. Taboada|arXiv (Cornell University)|Aug 28, 2015

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 9被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、広視野（~2 sr）かつ高稼働率（>95%）の設計を活かし、非常に高エネルギー（VHE）ガンマ線放射の探索を目的として、HAWCが最初にガンマ線バースト（GRB）を観測した。3σ以上の有意検出は試行補正後に行われなかったが、HAWCはGRB 130427Aに対して最初のVHE限界を設定し、4σレベルの背景モデルを確立した。これは、今後のGRB追従観測およびスペクトル制約におけるHAWCの能力を示している。

ABSTRACT

In this contribution, the first results of HAWC, searching for VHE gamma-ray emission from gamma-ray bursts (GRBs) reported by $\mathit{Swift}$, are presented. The HAWC gamma-ray observatory is operating in central Mexico at an altitude of 4,100 m above sea level. With an instantaneous field of view of approximately 2 sr and over 95% duty cycle (up time fraction), HAWC is an ideal detector to perform ground-based gamma-ray observations of GRBs. Though optimised for TeV observations, HAWC has significant sensitivity to short transients of energies as small as 50 GeV. The analysis method used for fast online and offline HAWC follow up of GRBs reported by satellites is described.

研究の動機と目的

• HAWC観測所の独自の能力を活かし、GRBからの非常に高エネルギー（VHE）ガンマ線放射を探索すること。
• 広視野（約2 sr）と高い稼働率（>95%）を有するHAWCの短時間トランジエンス、特にGRBに対する感受性を評価すること。
• OFF観測データを用いたバックグラウンドモデル構築技術を確立し、宇宙線バックグラウンドからの潜在的VHE信号の区別を可能にすること。
• 不完全な検出器構成と高い仰角の状況下でも、GRB 130427Aに対する最初のVHEフラックス限界を設定すること。
• Fermi-LAT観測を超えた延長放射を示すGRBからのVHE放射をHAWCが検出可能な可能性を評価すること。

提案手法

• HAWCは水チェレンコフ技術を用い、VHEガンマ線が引き起こす広大な空気シャワーのチェレンコフ光を、300基の水を満たしたタンクで検出する。
• 主なデータ取得システムは、完全なシャワーイベントを記録し、シャワーの進行方向とエネルギーを再構築可能であり、宇宙線背景を低減するためにガンマ-ハドロン分離処理が適用される。
• バックグラウンドモデルは、GRBトリガー前の後でのOFF観測データに一致させるために、全天イベントレートをスケーリングして構築される。GRB位置付近の領域は汚染を避けるために除外される。
• 有意性は、ポisson分布を仮定して、オン観測カウントとバックグラウンド推定値を比較することで計算され、GRB位置を中心に3°の探索円が用いられる。
• 本分析では、HAWC-111期間（2013年8月2日〜2014年7月8日）のデータが使用され、この期間中に視野内に18件のSwift局在GRBが観測された。
• 将来の利用を想定し、衛星が報告しないGRBを検出可能な自己トリガー探索手法の計画も進行中である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 HAWCは、広視野と高稼働率を活かして、GRBからのVHEガンマ線放射を検出可能か？
• RQ2 HAWCは、宇宙線バックグラウンドをどれほどよくモデル化・差し引くことができるか、潜在的VHE GRB信号の分離に寄与するか？
• RQ3 特に明るく良好に局在化されたバースト（例：GRB 130427A）に対するVHE放射の感受性限界はどの程度か？
• RQ4 Fermi-LATなどの衛星機器と比較して、HAWCは高エネルギーGRB放射をどれほど効果的に検出できるか？
• RQ5 Fermi-LATが観測した最高エネルギーを超えてGRB放射が延長する場合、HAWCはそのスペクトル延長を制約可能か？

主な発見

• 25,188個の偽GRB位置からの有意性分布にガウスフィットを適用した結果、HAWCはイベントレートについて4σレベルの理解に到達した。
• GRB 140607Aはオン観測で3.1σの有意性を示したが、18件のバーストに対する試行補正を経て2.5σに低下した。
• 試行補正後、どのGRBについても3σを超える有意性を示さなかったため、HAWC-111データセットでは統計的に有意なVHE検出はなかった。
• HAWCはGRB 130427Aに対して最初のVHEフラックス限界を設定したが、高仰角と検出器の不完全性のため、Fermi-LATデータの単純な外挿値と比較して約2桁高い値となった。
• 本分析は、将来のHAWC-250および完全HAWC構成において、ガンマ-ハドロン分離カットを適用することで、検出有意性が50〜100%向上可能であることを示している。
• HAWCは、Fermi-LATが観測した最高エネルギーをわずかに超える放射を示す歴史的GRB（例：GRB 090510および090902B）を検出可能であり、Fermi-LATデータを超えるスペクトル延長がない場合でも、GRB 130427Aに類するバーストを検出可能である。