[論文レビュー] Future plan for observation of cosmic gamma rays in the 100 TeV energy region with the Tibet air shower array : simulation and sensitivity

M. Amenomori, Xiao-Jun Bi+83 more|ArXiv.org|Oct 15, 2007

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、100 TeVの宇宙線ガンマ線に対する感度を向上させるために、Tibetのエアシャワー配列に大規模な地下水中チェレンコフミューオン検出器（MD）配列を追加することを提案している。ガンマ線誘発空気シャワーとハドロン背景を区別することで、100 TeVで83%のガンマ-ハドロン分離効率を達成する。モンテカルロシミュレーション（Corsika, GEANT4）を用いた分析により、AS+MD構成が100 TeVで5σ感度を7%と20%のクレイバーfluxに達する可能性を示しており、これは高エネルギー域で現在および将来のIACTを上回る。

ABSTRACT

The Tibet air shower array, which has an effective area of 37,000 square meters and is located at 4300 m in altitude, has been observing air showers induced by cosmic rays with energies above a few TeV. We have a plan to add a large muon detector array to it for the purpose of increasing its sensitivity to cosmic gamma rays in the 100 TeV energy region by discriminating them from cosmic-ray hadrons. We have deduced the attainable sensitivity of the muon detector array using our Monte Carlo simulation. We report here on the detailed procedure of our Monte Carlo simulation.

研究の動機と目的

• Tibetエアシャワー配列の100 TeVエネルギー領域における宇宙ガンマ線への感度を向上させること。
• 既存のエアシャワー配列がガンマ線誘発空気シャワーとハドロン背景を区別する能力に限界があることに対処すること。
• 高感度なガンマ-ハドロン分離を実現するための大型地下水中チェレンコフミューオン検出器配列の設計と評価を行うこと。
• 点源としてのガンマ線源に対するアップグレード済みTibet AS+MDシステムの達成可能な感度を定量すること。

提案手法

• ハドロン相互作用にQGSJET01cを用い、ガンマ線にE^-2.6のエネルギースペクトルを適用したCorsika Ver.6.204を用いて、一次宇宙線およびガンマ線からの空気シャワーイベントをシミュレートした。
• 表面シンチレーションカウンタの応答をエピックス uv8.00を用いてシミュレートし、有効面積が50,000 m²に拡大されたアップグレード版Tibet AS配列構成を採用した。
• GEANT4を用いてミューオン検出をシミュレートし、土壌吸収体（2.0 m、2.0 g/cm³、70% SiO₂、20% Al₂O₃、10% CaO）およびMD配列構造（コンクリートセル、0.5 mの天井、70%の反射率）をモデル化した。
• 各ミューオン検出器における光電子収集数（N_PEs）を計算し、垂直ミューオンに対してN_PEs分解能が34 PEs ±18%であった。
• ソフトウェアトリガを適用し、FTカウンタで4重一致（1.25以上の粒子電荷を有すること）、コアが配列内に位置すること、方向誤差が1.0 m未満であることの条件を課した。
• 100 TeVにおけるガンマ線誘発イベントの83%以上を保持しつつ、ハドロンイベントを抑制するため、各検出器のN_PEs合計（∑N_PEs >10）に対するカット条件を最適化した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Tibet AS+MD配列は、点源としての100 TeVガンマ線源に対してどの程度の感度を達成可能か？
• RQ2 ミューオン検出器配列は、ガンマ線信号効率を保持しつつ、どの程度の効果でハドロン背景イベントを抑制できるか？
• RQ3 100 TeVエネルギー域でガンマ-ハドロン分離を最大化するための∑N_PEsの最適カット条件は何か？
• RQ4 AS+MDシステムの感度は、現在および次世代のIACTと比較して100 TeVエネルギー領域でどの程度か？
• RQ5 検出器の幾何学的形状、材料組成、光収集効率が最終的な感度に与える影響は何か？

主な発見

• AS+MD配列は、1年間の観測で20 TeV以上で点源に対して5σ感度がクレイバーfluxの7%に達する。
• 100 TeV以上では、感度がクレイバーfluxの20%に達し、100 TeVガンマ線窓を探索可能であることを示した。
• ∑ρ ≈ 1000（約100 TeVの一次ガンマ線に対応）において、ハドロン背景は0.01%以下にまで抑制され、同時にガンマ線誘発イベントの83%を保持した。
• ミューオン検出器システムは、垂直に入射するミューオンに対して34 PEsの光電子分解能を達成し、±18%の不確実性を有した。
• 最適化された∑N_PEsカットは、ガンマ線とハドロンのシャワーを効果的に分離でき、100 TeVでガンマ線イベントの83%が生存し、ハドロンイベントの生存率は0.01%未満であった。
• AS+MDシステムは20 TeV以上で既存のIACTを上回り、40 TeV以上で次世代IACTを上回る感度を高エネルギー域で達成可能である。