[論文レビュー] The HAWC Gamma-Ray Observatory: Observations of Cosmic Rays

HAWC Collaboration, Abeysekara, A. U.+100 more|arXiv (Cornell University)|Sep 30, 2013

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 1被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、メキシコの標高4100 mにおけるHAWC-30のエンジニアリングアレイから得られた初期の宇宙線観測を提示し、月影の検出、10⁻³レベルの大型および小型スケールの宇宙線非一様性、および2012年3月のフォーブッシュ減少を示している。30台の水チェレンコフ検出器からのデータを用いて、HAWCはTeV宇宙線の高効率監視を実現し、月影を用いた高精度な角度分解能と指向性キャリブレーションを可能にするとともに、一時的太陽イベントの検出およびニュートリノモニタとの比較による圧力補正された計数率の妥当性を検証した。

ABSTRACT

We describe measurements of GeV and TeV cosmic rays with the High-Altitude Water Cherenkov Gamma-Ray Observatory, or HAWC. The measurements include the observation of the shadow of the moon; the observation of small-scale and large-scale angular clustering of the TeV cosmic rays; the prospects for measurement of transient solar events with HAWC; and the observation of Forbush decreases with the HAWC engineering array and HAWC-30.

研究の動機と目的

• 宇宙線の月影を用いてHAWC-30エンジニアリングアレイの角度分解能と指向性精度を特徴づけること。
• TeV宇宙線の到着方向における大規模（60°以上）および小規模（20°未塔）の非一様性を調査すること。
• VAMOSエンジニアリングアレイを用いて、2012年3月のフォーブッシュ減少を含む一時的太陽イベントを検出・分析すること。
• VAMOSおよびニュートリノモニタのデータを用いて、大気圧補正が宇宙線計数率測定にどの程度有効であるかを検証すること。
• 建設中の間、連続的かつ高統計的監視が可能なHAWC観測所の能力を実証すること。

提案手法

• HAWC-30は、宇宙線が引き起こす空気シャワーからのチェレンコフ光を検出するため、30台の水チェレンコフ検出器とフォトマルチプライヤー管（PMT）を用いる。
• PMTからの時間幅（ToT）信号は100 psの分解能でデジタル化され、シャワー核位置と入射角の再構成に用いられる。
• 複数度トリガ条件（時間窓T内にN個のPMTパルス）が満たされると、空気シャワー再構成が開始される。
• 月影は、宇宙線フラックスマップにおける欠損として観測され、角度分解能と指向性精度の推定に用いられる。
• スケーラーDAqおよびメインDAqシステムからの計数率は、線形フィットを用いて大気圧補正される：R_corr = R_uncorr - R_P + <R_uncorr>。
• VAMOSのデータは、メキシコシティおよび南極点のニュートリノモニタと比較され、フォーブッシュ減少の検出および圧力補正の有効性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 月影から推定されるHAWC-30アレイの角度分解能と指向性精度は何か？
• RQ2 TeV宇宙線の到着方向における非一様性は、大規模（60°以上）および小規模（20°未塔）のスケールでどの程度存在するか？
• RQ3 HAWCエンジニアリングアレイは、フォーブッシュ減少のような一時的太陽イベントを検出・特徴づけることができるか？
• RQ4 大気圧補正は、異なるDAqシステムにおける宇宙線計数率測定の安定化にどの程度効果的か？
• RQ5 フォーブッシュ減少中、VAMOSの計数率変動はどの程度ニュートリノモニタデータと相関しているか？

主な発見

• 月影は全波幅半値（FWHM）1.8°で観測され、HAWC-30の角度分解能が約1.8°であることを示している。
• 60°以上のスケールおよび20°未塔のスケールで、10⁻³レベルの顕著な非一様性が検出され、Milagroおよびチベット/ARGOの先行観測と整合的である。
• VAMOSアレイは、2012年3月7日のフォーブッシュ減少を正常に検出し、メキシコシティおよび南極点のニュートリノモニタで観測された計数率変動と一致した。
• 圧力補正により計数率のばらつきが低減され、スケーラーDAqの30台中26台、メインDAqの20台中20台が補正後に7%未満の誤差を示した。
• フォーブッシュ減少中の計数率低下は、磁気剛性カットオフに従って変動し、最低緯度の地点（マクマーチョ、0.3 GV）で最大の低下が観測された。
• HAWC-30アレイは2 kHzを超える宇宙線トリガレートを達成し、当時において最も大規模なTeV宇宙線データセットを生成した。