[論文レビュー] Search for Short Bursts of Gamma Rays Above 100 MeV from the Crab using VERITAS and SGARFACE

M. Schroedter|arXiv (Cornell University)|Aug 3, 2009

Gamma-ray bursts and supernovae被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、VERITASとSGARFACE実験の同時観測を用いて、クモクラスター脈動星からの100 MeV以上の短いガンマ線バーストを探索した。1–15 μsの持続時間のバーストに対しては高い感度を有するが、6.3時間の観測期間中に一致するイベントは検出されず、1 GeVを超えるサブマイクロ秒スケールのバーストに対する、これまでで最も厳しい上限が設定された。

ABSTRACT

The phenomenon of giant radio pulses (GRP) from the Crab Pulsar can be studied at gamma-ray energies using atmospheric-Cherenkov telescopes such as VERITAS and the SGARFACE experiment attached to the Whipple 10 m telescope. Although these instruments are generally used for very-high-energy gamma-ray astronomy above 100 GeV, they also provide substantial sensitivity to short bursts of photons above 100 MeV lasting up to 15 $μ$s. Motivated by the theoretical predictions for short microsecond-scale GeV bursts as counterparts to GRPs \cite{Lyutikov2007}, we report on a search for gamma-ray emission using simultaneous observations of the Crab Pulsar taken with VERITAS and the SGARFACE experiment.

研究の動機と目的

• クモクラスター脈動星におけるギャントリックラジオパulses（GRP）が、曲率放射により約30 GeVの短いガンマ線バーストを生成するという理論的予測を検証すること。
• 地上の大気チェレンコフ望遠鏡を用いて、10 nsから15 μsの持続時間の100 MeV以上のガンマ線バーストを探索すること。
• VERITASとSGARFACE実験のデータを統合することで、短時間・高エネルギーのバーストに対する感度を向上させること。SGARFACEはホイップル10 m望遠鏡に搭載されている。
• 一致時間とバックグラウンド除去技術を活用して、このようなバーストの発生率に対する、これまでで最も厳しい上限を確立すること。
• 現在のIACTアレイと新規トリガーシステムを用いて、パルサーからのマイクロ秒スケールのGeVバーストを検出可能かどうかを評価すること。

提案手法

• クモクラスター脈動星の同時観測が、VERITASとSGARFACE実験（ホイップル10 m望遠鏡に搭載）を用いて実施された。
• SGARFACEは、35.04 μsのメモリ深さで20 ns間隔でサンプリングされた55チャンネルの合算PMT信号を用い、FADCが時間にわたる電荷積分を保持するように設計されている。
• 6つの時間定数（60 nsから14.58 μs）を持つマルチタイムスケールディスクリミネータ（MTD）と、7つの隣接したトリガーチャンネルを必要とするパターンに敏感な論理回路により、高いバックグラウンド除去が実現されている。
• VERITASは、7 ns間隔で3つの隣接するPMTがそれぞれ約5光電子を超えるとトリガーを発動し、7 ns持続の1 GeVバーストに対して最小検出可能フルエンスは0.02 γ/m²である。
• 一致イベントの探索には1 μsの一致ウィンドウを用い、ランダム一致率は1秒ずらしたデータセットを用いて推定された。
• KASCADEおよびGrISU(tah)を用いたモンテカルロシミュレーションにより、チェレンコフ光のパターンと望遠鏡応答をモデル化し、バースト持続時間およびエネルギーに応じた感度を決定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 100 MeV以上の短いガンマ線バースト（1–15 μs持続）は、大気チェレンコフ望遠鏡を用いてクモクラスター脈動星から検出可能か？
• RQ2 クモクラスター脈動星のギャントリックラジオパulses（GRP）と、曲率放射による高エネルギーガンマ線バーストとの間に、検出可能な相関関係があるか？
• RQ3 VERITASとSGARFACEは、1 GeVを超えるマイクロ秒スケールのガンマ線バーストに対してどの程度の感度を有するか？
• RQ4 2つの独立したIACTシステム間の一致技術は、バースト検出のための宇宙線バックグラウンド除去にどの程度効果的か？
• RQ5 クモクラスター脈動星からのこのような短いガンマ線バーストの発生率に対する、最も厳しい上限は何か？

主な発見

• 6.3時間にわたるVERITASとSGARFACEの同時観測において、一致するガンマ線バーストイベントは検出されなかった。
• ポisson分布を仮定し、バックグラウンドの揺らぎを考慮した場合、真のバースト発生率の99%上限は0.73時間⁻¹である。
• 1 μsの一致ウィンドウ内でのランダム一致の期待値は0.1であり、ずらしたデータセットからの推定値である。
• VERITAS-SGARFACEシステムは、曲率放射モデルが予測する50 GeVのフルエンスのバーストを検出するのに十分な感度を有している。
• SGARFACEは、時間分解画像とパターンベースのトリガーにより、宇宙線および大気現象に対して98%のバックグラウンド除去を達成している。
• バーストの感度は1/τに比例し、100 nsを超える持続時間ではVERITASがSGARFACEより感度が低いため、長時間バーストの上限が制限される。