[論文レビュー] Limit on an Isotropic Diffuse Gamma-Ray Population with HAWC

John Pretz|arXiv (Cornell University)|Aug 17, 2015

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 15被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、ハイ・アラチュード・ウォーター・チェレノフォークス（HAWC）観測所の105日分のデータを用いて、10 TeVを超えるエネルギー領域における等方的で拡散するガンマ線放射の新しい上限を提示している。HAWCの優れた光子-荷電粒子分離能力を、カブスネビュラの観測で活用することで、17 TeVにおける保守的な上限8.0 × 10⁻¹⁵ cm⁻² s⁻¹ GeV⁻¹ sr⁻¹を達成した。これは、従来の制約を改善し、アイスキューブが検出したTeV-PeVエネルギー帯の宇宙線的ニュートリノの起源を解明する上で極めて重要な手がかりを提供する。

ABSTRACT

Data from 105 days from the High Altitude Water Cherenkov Observatory (HAWC) have been used to place a new limit on an isotropic diffuse gamma-ray population above 10 TeV. High- energy isotropic diffuse gamma-ray emission is produced by unresolved extragalactic objects such as active galactic nuclei, with potential contributions from interactions of high-energy cosmic rays with the inter-Galactic medium, or dark matter annihilation. Isotropic diffuse gamma-ray emission has been observed up to nearly 1 TeV. Above this energy, only upper limits have been reported. Observations or limits of the isotropic photon population above these energies are very sensitive to local astrophysical particle production. Of particular note, we expect a photon population to accompany the TeV-PeV astrophysical neutrino detection seen in the IceCube instrument. Observations or limits of a photon population above this energy can point to the origin of these neutrinos, indicating whether they are within the gamma-ray horizon or not. HAWC, with superior sensitivity to gamma rays between 100 GeV and 100 TeV, continuously observes the overhead sky and will measure or constrain isotropic emission above 1 TeV. We present a limit above 10 TeV based on the background rejection achieved in a 105-day observation of the Crab Nebula with HAWC. The limit will improve substantially with additional data and study.

研究の動機と目的

• 10 TeVを超えるエネルギー領域における等方的で拡散する高エネルギーガンマ線の放射線量を制約すること。これは、かつては上限しか存在しなかった重要なエネルギー領域である。
• アイスキューブが検出したTeV-PeVエネルギー帯の宇宙線的ニュートリノが、パイオニ崩壊に起因するガンマ線を伴っている、あるいはダークマターの対消滅によって生成されるという仮説を検証すること。
• カブスネビュラをキャリブレーション源およびバックグラウンド除去のベンチマークとして用いることで、HAWCが拡散光子放射に対してどの程度の感度を持つのかを評価すること。
• 100 TeVを超えるエネルギー領域における電子・陽電子・ガンマ線の合成的放射線量を今後より高感度で測定するための基盤を確立すること。

提案手法

• カブスネビュラの観測に起因するHAWCの105日分のデータを用いて、バックグラウンドおよび信号レベルを測定した。
• 水チェレノフォークス検出器におけるコア再構築の適合度に基づく光子/荷電粒子分離技術を適用した。
• カブスネビュラの放射線量を基準として、観測された信号対バックグラウンド比を用いて、等方的で拡散するガンマ線放射線量の上限を計算した。
• 系統的不確実性を最小限に抑えるために、カブスネビュラのH.E.S.S.による既存の測定値を上限の基準として用いた。
• すべての非源領域イベントを荷電粒子バックグラウンドと仮定する保守的な仮定を採用し、頑健ではあるが保守的な上限を得た。
• より厳密なエネルギーカット、より良いバックグラウンドモデル、およびデータ量の増加により、感度を最大100倍まで向上させることを予想した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 HAWCの最初の105日分のデータに基づき、10 TeVを超えるエネルギー領域における等方的で拡散するガンマ線放射線量の上限は何か？
• RQ2 HAWCの光子-荷電粒子分離能力は、等方的解析を専用に実施しない状況でも、拡散する高エネルギーガンマ線に対して意味のある制約を提供できるか？
• RQ3 10 TeVを超えるエネルギー領域でガンマ線が検出されないという事実が、アイスキューブが検出した宇宙線的ニュートリノがガンマ線の地平線を超えて発生しているという仮説を支持するか？
• RQ4 カブスネビュラ周辺で観測されたバックグラウンドの多くが荷電粒子宇宙線に起因する割合はどの程度か？また、より良いモデル化が感度をどのように向上させるか？
• RQ5 11–23 TeVエネルギー範囲において、HAWCの等方的拡散放射への感度は、GRAPES-3などの他の機器と比較してどの程度か？

主な発見

• HAWC実験は、105日分のデータに基づき、17 TeVにおける等方的で拡散するガンマ線放射線量の上限として8.0 × 10⁻¹⁵ cm⁻² s⁻¹ GeV⁻¹ sr⁻¹を新たに設定した。
• この上限は、カブスネビュラの観測から導かれたものであり、0.45°のエネルギー領域に12件のイベントが観測され、バックグラウンドは0.81 ± 0.05件であった。11.2件のカブスネビュラ全量を仮定した。
• 90%信頼水準における信号対バックグラウンド比は8.4に達し、コア再構築の適合度に基づく光子-荷電粒子分離が強く裏付けられた。
• この上限は、11–23 TeVエネルギー範囲において、従来のGRAPES-3による最良の制約を上回っている。
• HAWCの100 TeVにおける感度は、10 TeVにおける感度よりも少なくとも1桁以上優れており、今後、より弱い放射線量の検出が可能になる。
• より厳密なエネルギーカット、より良いバックグラウンドモデル、およびデータ量の増加により、感度を最大100倍まで向上させることができ、アイスキューブの拡散ニュートリノ放射線量レベルを下回る可能性がある。