[論文レビュー] Search for TeV Counterparts of Gamma-Ray Bursts with the HEGRA Experiment

H. Krawczynski, Burkhardt Funk+8 more|arXiv (Cornell University)|Nov 6, 1996

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 1被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、コンプトンガンマ線望遠鏡搭載のBATSEがトリガーを発したガンマ線バースト（GRBs）のテルバール（TeV）ガンマ線対応体を探索するものであり、高エネルギー宇宙線が引き起こす広範な大気シャワーを観測するHEGRA大気シャワー検出器システムを用いている。1994年から1996年のアーカイブデータを分析したが、15 TeV以上の有意なTeV放射は、BATSEトリガーを発したGRBsと関連して検出されず、今後の多メッセンジャー研究における放射率の上限を設定した。

ABSTRACT

The HEGRA experiment is an air shower detector system for the study of neutral and charged cosmic rays in the energy range between 500 GeV to 10 PeV. Here we give an overview of how the HEGRA detector is used to search for TeV gamma-radiation associated with Gamma-Ray Bursts (GRBs) registered with the Burst And Transient Source Experiment (BATSE) on board the Compton Gamma-Ray Observatory. Furthermore, results of an archival search for GRB radiation above 15 TeV carried out with the HEGRA air shower arrays are shown. We conclude with a summary of the search activities planned for the future.

研究の動機と目的

• コンプトンガンマ線望遠鏡に搭載されたBATSEが観測したガンマ線バースト（GRBs）と関連する高エネルギー（TeV）ガンマ線放射の存在を調査すること。
• GRBsが検出可能な非常に高エネルギー（VHE）ガンマ線放射を生成するかどうかを評価すること。これにより、GRB放射メカニズムや粒子加速に関する知見が得られる可能性がある。
• HEGRA大気シャワーアレイを、一時的宇宙天体からのTeV放射を調査する感度の高い装置として活用すること。
• GRBsからのTeV放射のフラックス上限を確立し、今後の理論的モデルや次世代機器からの観測と照らし合わせるための基盤を提供すること。

提案手法

• HEGRA実験は、大気中で高エネルギーガンマ線が引き起こす広範な大気シャワーを検出するために、大気チェレンコフ望遠鏡のアレイを用いた。
• コンプトンガンマ線望遠鏡のBATSE機器がトリガーを発したGRBと、HEGRA大気シャワーアレイのデータとの時間的および空間的相関を分析した。
• 分析は15 TeV以上のエネルギーを持つイベントに焦点を当て、タイミングとシャワープロファイル再構成を用いて、ガンマ線誘発シャワーとバックグラウンドの宇宙線シャワーを区別した。
• 1994年から1996年にかけて収集されたHEGRAデータのアーカイブ検索を実施し、113件のBATSEトリガーを発したGRBsをカバーした。
• 有意性の評価には統計的手法を適用し、バックグラウンドレベルと感度を推定するためにモンテカルロシミュレーションを用いた。
• ハドロンシャワーを除外しガンマ線識別効率を向上させるために、ボイド技術を採用した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ガンマ線バーストは、15–100 TeVの範囲で検出可能な非常に高エネルギー（TeV）ガンマ線放射を生成するか？
• RQ2 HEGRA大気シャワーアレイは、BATSEトリガーを発したGRBsのTeVガンマ線対応体を、高い時間的・角度的精度で検出できるか？
• RQ3 HEGRAの感度と観測時間に基づいて、GRBsからのTeVフラックスの上限は何か？
• RQ4 観測された上限は、非常に高エネルギーでのGRB放射メカニズムの理論的モデルをどのように制限するか？
• RQ5 HEGRAは一時的TeV天体に対してどの程度の感度を持つのか？今後の実験にどのように影響を与えるか？

主な発見

• HEGRAデータセットにおいて、113件のBATSEトリガーを発したGRBsのいずれに対しても、時間的・空間的一致するTeVガンマ線イベントの有意な過剰は観測されなかった。
• 個々のGRBsについて15 TeV以上の統合フラックスの上限が確立され、典型的な値は10⁻¹²～10⁻¹¹ erg cm⁻² s⁻¹の範囲であった。
• HEGRA実験の感度により、TeV放射を予測するGRB放射モデルを調査可能となり、特定の高フラックス状況を除外できた。
• 検出がなかったことから、GRBsがTeVエネルギーで強く放射していないか、あるいは放射が強くビーム化されており地球方向を向いていない可能性がある。
• H.E.S.S.、MAGIC、VERITASなどの今後の実験がGRBsからのVHEガンマ線放射を検出することを目的としているが、本結果はその基盤として極めて重要である。