[論文レビュー] Performance of LHAASO-WCDA and Observation of Crab Nebula as a Standard Candle

LHAASO collaboration|arXiv (Cornell University)|Jan 10, 2021

Geophysics and Gravity Measurements被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、TeVガンマ線天文学における標準キャンドルとしてのカブスネビュラを観測することにより、最初のLHAASO水チェレンコフ検出器アレイ（WCDA-1）の性能を評価している。10か月間のデータを用いて、WCDA-1は5σの有意水準で年間65 mCUの感度を達成し、優れた角分解能（3 TeV以上で0.4°未満）と指向性精度（0.05°未満）を示しており、設計およびキャリブレーションの妥当性が裏付けられた。測定されたカブスネビュラのスペクトルエネルギー分布（SED）は、0.5–15.8 TeVの範囲で他の主要実験と良好に一致している。

ABSTRACT

The first Water Cherenkov detector of the LHAASO experiment (WCDA-1) has been operating since April, 2019. The first 10 months of data have been analyzed to test its performance by observing the Crab Nebula as a standard candle. The WCDA-1 achieves the sensitivity of 65 mCU per year with a statistical threshold of 5 $σ$. In order to do so, 97.7\% cosmic ray background rejection rate around 1 TeV and 99.8\% around 6 TeV with an approximately photon acceptance about 50\% by using the $compactness$ of the shower footprints to be greater than 10 as the discriminator between gamma induced showers and the cosmic ray backgrounds. The angular resolution is measured using the Crab Nebula as a point source about 0.45$^\circ$ at 1 TeV and better than 0.2$^\circ$ above 6 TeV with the pointing accuracy better than 0.05$^\circ$. They are all matching the design specifications. The energy resolution is found 33\% for gamma rays around 6 TeV. The spectral energy distribution of the Crab Nebula in the range from 500 GeV and 15.8 TeV is measured and in agreement with results of other TeV gamma ray observatories.

研究の動機と目的

• TeVガンマ線天文学における標準キャンドルとしてのカブスネビュラを用いて、最初のLHAASO水チェレンコフ検出器アレイ（WCDA-1）の性能を検証すること。
• よく知られた天体物理学的源を長期間観測することで、検出器の感度、角分解能、指向性精度を評価すること。
• シミュレーションの仮定と検出器の安定性に起因するガンマ線エネルギー再構築および受容断面積推定における系統的不確実性を評価すること。
• 宇宙線データを用いたキャリブレーションにより、検出器応答を定め、測定されたシャワー分布とシミュレーションモデルの整合性を検証すること。
• 0.5–15.8 TeVの範囲でカブスネビュラのスペクトルエネルギー分布（SED）を測定し、他の主要ガンマ線実験の結果と比較すること。

提案手法

• WCDA-1は2019年4月から10か月間のデータを収集し、空気シャワーから発生するチェレンコフ光を検出するために900個のフォトマルチプライヤー管（PMT）を用いた。
• ガンマ線イベントは、0.3 PEおよび0.6 PEのしきい値を用いて電荷ベースのシャワー再構築法で再構築され、エネルギースケールの不確実性を評価した。
• 検出器の向きと時刻が個々のユニットごとに正確にキャリブレーションされ、0.05°未満の指向性精度と3 TeV以上で0.4°未満の角分解能が達成された。
• 空気シャワーおよび検出器のシミュレーションは、観測された宇宙線データに合わせて調整され、有効面積およびガンマ線受容断面積の推定が可能になった。
• 系統的不確実性は、2通りの宇宙線組成仮定を用いてシミュレーション出力とデータを比較し、ヒット分布の乖離を分析することで評価された。
• カブスネビュラのSEDはエネルギー再構築および受容断面積補正を用いて再構築され、しきい値の変更およびモデル比較による系統的誤差が推定された。

Figure 1: Schematic of the WCDA layout. The lower two ponds are WCDA-1 and WCDA-2 from left to right, respectively, and the upper one is WCDA-3. The two dots in each detector unit indicate the PMTs, while the dashed lines represent the curtains between units. Two combinations of PMTs are used: 8” an

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 WCDA-1のTeVガンマ線検出感度はどの程度で、設計仕様を満たしているか？
• RQ2 3 TeV以上のガンマ線源に対して、WCDA-1の角分解能および指向性方向の正確さはどの程度か？
• RQ3 検出器シミュレーション、宇宙線組成、シャワーモデルの不確実性が、ガンマ線エネルギースケールおよび受容断面積推定に及ぼす影響はどの程度か？
• RQ4 WCDA-1が測定したカブスネビュラのSEDは、他の主要ガンマ線観測所の結果とどの程度一致するか？
• RQ5 170日間の運用期間を通じて、検出器の安定性および水の透明度の変化が、電荷測定および検出効率に及ぼす影響は何か？

主な発見

• WCDA-1は5σの有意水準で年間65 mCUの感度を達成し、設計仕様と一致した。
• 3 TeV以上のガンマ線到来方向の角分解能は0.4°未満であり、指向性精度は0.05°未満であった。
• カブスネビュラのスペクトルエネルギー分布（SED）は0.5 TeVから15.8 TeVの範囲で測定され、他の主要ガンマ線実験と良好に一致した。
• SEDにおける系統的不確実性は${}^{+8}_{-24}$%と推定され、主にシャワー・シミュレーション、宇宙線組成、エネルギースケールキャリブレーションの不確実性に起因する。
• PMTの電荷が時間とともに増加するため、低ヒットイベント（Q=0.3 PE）では約8.8%の不確実性を伴う11%の補正が電荷測定に適用された。
• 2通りの宇宙線組成仮定によるヒット分布モデリングの乖離から、検出器効率推定に16%の保守的不確実性が生じた。

Figure 2: A typical high energy shower event detected by WCDA-1. The top left panel shows the arrival time of the shower front at each cell. The units on the colour scale are ns. The top right panel shows the number of photoelectrons, N PE , recorded by the 8” PMT in each cell (bin) in which many sa