[論文レビュー] HAWC Upgrade with a Sparse Outrigger Array

A. Sandoval|arXiv (Cornell University)|Sep 14, 2015

Seismic and Structural Analysis of Tall Buildings被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、主アレイの4倍の面積にわたって配置された200個の小型水チェレンコフ検出器（各2.5 m³）からなるスパarsely配置されたアウトリガー配列を用いた、高高度水チェレンコフ（HAWC）ガンマ線望遠鏡のアップグレードを提案する。主アレイ外に落下するシャワーのコア位置を特定することで、このアップグレードは角度分解能と再構成精度を向上させ、10 TeVを超えるガンマ線に対する感度を3〜4倍に向上させる。

ABSTRACT

The High Altitude Water Cherenkov (HAWC) high-energy gamma-ray observatory has recently been completed on the slopes of the Sierra Negra volcano in central Mexico. HAWC consists of 300 Water Cherenkov Detectors, each containing 180 m$^3$ of ultra-purified water, that cover a total surface area of 20,000 m$^2$. It detects and reconstructs cosmic- and gamma-ray showers in the energy range of 100 GeV to 100 TeV. The HAWC trigger for the highest energy gammas reaches an effective area of 10$^5$ m$^2$ but many of them are poorly reconstructed because the shower core falls outside the array. An upgrade that increases the present fraction of well reconstructed showers above 10 TeV by a factor of 3-4 can be done with a sparse outrigger array of small water Cherenkov detectors that pinpoint the core position and by that improve the angular resolution of the reconstructed showers. Such an outrigger array would be of the order of 200 small water Cherenkov detectors of 2.5 m$^3$ placed over an area four times larger than HAWC. Detailed simulations are being performed to optimize the layout.

研究の動機と目的

• 主アレイ外にコア位置が位置する高エネルギーガンマ線シャワーの再構成を改善すること。
• 10 TeVを超えるガンマ線に対するHAWCの有効面積と感度を向上させること。現在の統計的制限を克服する。
• 詳細なモンテカルロシミュレーションを用いて、性能を最大化するためのスパarsely配置されたアウトリガー配列のレイアウトと設計を最適化すること。
• 正確なシャワーのコア位置特定により、部分的に検出されたシャワーのガンマ線/ヘリウム線分離と角度分解能を向上させること。
• 将来のHAWC-South展開に向け、現地のフロントエンド電子回路とデータ取得システムを用いたプロトタイプシステムの開発

提案手法

• 主HAWCアレイの4倍の面積にわたって、200個の小型水チェレンコフ検出器（各2.5 m³）をサンフラワースパイラル配置で設置する。
• フォトマルチプライヤーからの信号の時間超過閾値（ToT）記録と到着時刻測定を用いて、シャワー波面とコア位置を再構成する。
• アモルチードデータにNishimura-Kamata-Greisen（NKG）分布のフィッティングを適用し、コア位置とシャワーの大きさを推定する。
• CORSIKAとGEANT4シミュレーションを用いて大気シャワーと検出器応答をモデル化し、検出器間隔と幾何配置を最適化する。
• アウトリガーに局所的なフロントエンド電子回路、DC-DC高電圧供給装置、および光ファイバーを用いたデータ伝送を装備し、主HAWCのデータ取得システムに統合する。
• ボトムまたはトップに設置されたPMトの配置、タンク壁の反射率（黒から白まで）を変更し、信号検出効率を最大化するための評価を行う。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 コア位置が主HAWCアレイ外にある高エネルギーガンマ線シャワーの再構成を、スパarsely配置されたアウトリガー配列が顕著に改善できるか？
• RQ2 10 TeVを超えるシャワーの感度を最大化するための、小型水チェレンコフ検出器の最適なレイアウトと密度は何か？
• RQ3 アウトリガーを用いたコア位置の特定によって、有効面積と角度分解能はどの程度向上できるか？
• RQ4 検出器サイズ、PMトの配置、反射率の間で生じる性能のトレードオフは何か？
• RQ5 アウトリガー系は、部分的に検出されたシャワーのガンマ線/ヘリウム線分離をどの程度向上できるか？

主な発見

• 提案されたアウトリガー配列は、10 TeVを超えるガンマ線に対するHAWCの感度を3〜4倍に向上させることができる。
• このアップグレードは、コア位置の曇りによる再構成と感度の制限が顕著な高エネルギーシャワー（>10 TeV）に対して特に効果的である。
• CORSIKAとGEANT4を用いた詳細なモンテカルロシミュレーションにより、サンフラワースパイラル配置の300タンクのアウトリガー配列がコア再構成とシャワーエネルギー推定を最適化することが示された。
• シャワーのコア付近では粒子フラックスが非常に高いため、検出器は2.5 m³の小型化が可能であり、広大な領域へのコスト効率の高い設置が可能になる。
• 局所的なフロントエンド電子回路と光ファイバーを用いたデータ伝送により、主HAWCデータ取得システムへの統合が可能となり、将来のHAWC-South展開にも対応できる。
• シミュレーション結果から、アウトリガー系は主アレイ外のコア位置にあるシャワーのコア位置の曇りを解消でき、角度分解能と再構成の整合性を顕著に向上させることを示している。