[論文レビュー] MAGIC sensitivity to millisecond-duration optical pulses

T. Hassan, John Hoang+7 more|arXiv (Cornell University)|Aug 25, 2017

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 11被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、MAGICチェレンコフ望遠鏡の中心ピクセルが孤立した1–10 msの光学パルスにどの程度感度を持つかを実験的に決定し、Uバンドでm = 13.5 ± 0.6の検出閾値を達成した。明るい星を望遠鏡で移動させ、測定された電圧と既知の星の視等級を相関させることで、線形な電圧–等級応答関係を確立し、高速電波バースト（FRB）探索に関連するオーファンミリ秒光学パルスの検出を可能にした。

ABSTRACT

The MAGIC telescopes are a system of two Imaging Atmospheric Cherenkov Telescopes (IACTs) designed to observe very high energy (VHE) gamma rays above ~50 GeV. However, as IACTs are sensitive to Cherenkov light in the UV/blue and use photo-detectors with a time response well below the ms scale, MAGIC is also able to perform simultaneous optical observations. Through an alternative system installed in the central PMT of MAGIC II camera, the so-called central pixel, MAGIC is sensitive to short (1ms - 1s) optical pulses. Periodic signals from the Crab pulsar are regularly monitored. Here we report for the first time the experimental determination of the sensitivity of the central pixel to isolated 1-10 ms long optical pulses. The result of this study is relevant for searches of fast transients such as Fast Radio Bursts (FRBs).

研究の動機と目的

• MAGICの中心ピクセルシステムが孤立したミリ秒級光学パルスにどの程度感度を持つかを実験的に決定すること。
• 望遠鏡を高速で移動させながら、明るい星からの既知の光学放射に応じた中心ピクセルの電圧応答をキャリブレーションすること。
• 高速電波バースト（FRB）探索に関連するオーファン光学パルスの定量的検出閾値を確立すること。
• 標準的なクレイブプルサーの光曲線を基準として、システムの性能を検証すること。
• 高い時間分解能を有する同時VHEガンマ線および光学時間域観測を可能にすること。

提案手法

• 中心ピクセルのDCブランチを3 kHzを超える帯域幅にアップグレードし、高速光学パルスの検出を可能にした。
• 中心ピクセルの信号を望遠鏡のカメラからカウンティングハウスに送るための光学ファイバー伝送システムを導入した。
• 専用の光学受信メザニン基板を設け、光学信号を電気信号に変換し、標準的なドミノDAQおよび中心ピクセルPCに別々に信号をルーティングした。
• 望遠鏡を約4.7 deg/sで空を移動させ、中心ピクセルの視野内を通過する星から20 msの光学パルスを生成した。
• 測定されたパルス振幅を、望遠鏡のポイント spread function (PSF) 内の星の既知の視等級と相関させ、パルスの広がりをガウス型スメアリングでモデル化した。
• 相関したパルスの電圧–等級関係に線形フィットを適用し、5σノイズ閾値まで感度を外挿した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 MAGIC中心ピクセルシステムを用いて、1 msの孤立したフラッシュを検出可能な最小光学視等級は何か？
• RQ2 高速スイーピング中に、中心ピクセルの電圧応答は明るい星の既知の視等級とどの程度相関するか？
• RQ3 高速スイーピング中、中心ピクセルシステムは真の光学パルスを背景ノイズから信頼性高く区別できるか？
• RQ4 システムの感度は、クレイブプルサーの光曲線に基づく予想とどの程度一致するか？
• RQ5 中心ピクセルシステムは、ミリ秒級光学変動源を検出する際に、有効帯域幅および時間分解能がどの程度か？

主な発見

• 中心ピクセルシステムは、孤立した1 msの光学フラッシュを検出する際、Uバンドでm = 13.5 ± 0.6の感度閾値を達成した。
• 中心ピクセルの視野内を通過する星の既知の視等級と測定されたパルス振幅との間に線形な電圧–等級関係が確立された。
• 望遠鏡のスイーピングにより、約20 msの持続時間を持つ星の光学パルスが正常に検出され、時間分解能の能力が確認された。
• 測定された感度は、クレイブプルサーの光曲線から導かれた予想応答と一致しており、キャリブレーション手法の妥当性が裏付けられた。
• 中心ピクセルシステムは、ミリ秒未塔の時間分解能を有し、VHEガンマ線および光学変動源を同時に検出可能である。
• スイーピング中のシステムの不安定要因、特に指向精度およびPSFの変動が、キャリブレーションデータの分散を引き起こしたが、全体のキャリブレーションに致命的な影響を与えたとは言えなかった。