[論文レビュー] The Status of the STACEE Observatory

C. E. Covault, L. M. Boone+13 more|arXiv (Cornell University)|Jul 21, 2001

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 5

ひとこと要約

STACEE観測所は、ニューメキシコ州の国立太陽熱試験施設に設置された64基のヘリオスタットを用いた地上型ガンマ線望遠鏡であり、ガンマ線大気降着シャワーから発生するチェレンコフ放射を検出する。2300 m²の総集光面積と高度な電子回路を備え、70 GeV未満のエネルギー閾値を達成し、赤方偏移z ~ 1.0までの銀河間源を観測可能となる。これは、従来のイメージング・チェレンコフ望遠鏡に続く、非常に高エネルギーガンマ線天文学分野における重要な前進を示している。

ABSTRACT

The Solar Tower Atmospheric Cherenkov Effect Experiment (STACEE) is a ground-based instrument designed to study astrophysical sources of gamma radiation in the energy range of 50 to 500 GeV. STACEE uses an array of large heliostat mirrors at the National Solar Thermal Test Facility in Albuquerque, New Mexico, USA. The heliostats are used to collect Cherenkov light produced in gamma-ray air showers. The light is concentrated onto an array of photomultiplier tubes located near the top of a tower. The construction of STACEE started in 1997 and has been completed in 2001. During the 1998-99 observing season, we used a portion of the experiment, STACEE-32, to detect gamma-rays from the Crab Nebula. The completed version of STACEE uses 64 heliostat mirrors, having a total collection area of 2300 m^2. During the last year, we have also installed custom electronics for pulse delay and triggering, and 1 GHz Flash ADCs to read out the photomultiplier tubes. The commissioning of the full STACEE instrument is underway. Preliminary observations and simulation work indicate that STACEE will have an energy threshold below 70 GeV and a reach for extragalactic gamma-ray sources out to redshift of ~1.0. In this paper we describe the design and performance of STACEE.

研究の動機と目的

• 太陽塔施設を活用して、50–500 GeVの非常に高エネルギーガンマ線を検出可能な、高スループットの地上型ガンマ線観測所を構築すること。
• 最適化された光学集光と高度な電子回路を用いて、70 GeV未満の低エネルギー閾値を達成すること。
• 赤方偏移約1.0までの銀河間ガンマ線源の検出を可能とすること。
• STACEE-32から始める段階的コンMISSIONINGを通じて、機器概念の妥当性を検証すること。
• 光学アライメントの向上、アルベドの低減、高度なトリガおよびリードアウトシステムの統合により、高精度の角度分解能と低バックグラウンドを確保すること。

提案手法

• 国立太陽熱試験施設に設置された64基の大型ヘリオスタットミラーを用いて、ガンマ線が引き起こす広大な大気降着シャワーからのチェレンコフ光を集光する。
• 集光された光を中央タワーのてっぺんに設置されたフォトマルチプライヤー管（PMT）アレイに集中させる。
• 1 GHzのフラッシュADCと動的パルス遅延システムを備えた独自開発電子回路を採用し、タイミング分解能とトリガ効率を向上させる。
• TDCが記録したシャワー到着時間に基づき、球面波フロント再構成アルゴリズムを適用してシャワーの到着方向とタイミングを特定する。
• アライメントレーザーと月光を用いたCCDイメージングを実施し、PMT位置の確認とヘリオスタット素子の指向角最適化による光学スループットの最大化を図る。
• ヘリオスタットフィールドに黒色のシールド材を塗布することで背景光を低減し、アルベドを最大50%まで低下させる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 STACEEがガンマ線大気降着シャワーを検出可能なエネルギー閾値はどの程度達成可能か？
• RQ2 STACEEの角度分解能は、シミュレーションおよび設計仕様と比較してどの程度か？
• RQ3 STACEEの有効作動閾値は何か？ また、その閾値が夜空背景からの誤トリガ率にどのように制限を及えるか？
• RQ4 光学アライメントとアルベド低減が、チェレンコフ検出における信号対雑音比にどの程度向上効果をもたらすか？
• RQ5 STACEEは、カクブネビュラーやマークリアン421といった既知の天体的源をどの程度の性能で検出できるか？

主な発見

• 球面波フロント再構成後のタイミング残差において、STACEEは1.2 ns RMSの高精度なタイミング分解能を達成しており、これはシャワーの固有のフラクチュエーションに起因する限界にのみ依存することを示している。
• STACEEの角度分解能は0.2°未満であることが測定され、シミュレーションおよび設計仕様と整合的であることが確認された。
• ディスクリミネータ閾値とトリガ率の関係曲線から、120 mV以上の閾値では誤ったバックグラウンドがほとんど認められず、この閾値でのチェレンコフ率は約7.5 Hzであることが示された。
• STACEE-48の予備的シミュレーションでは、天体の微分スペクトルがE⁻²である場合、天頂角で120 ± 25 GeVのエネルギー閾値が達成可能であると予想された。
• 1 GHzのフラッシュADCの導入により、STACEEは100 GeV未満のエネルギー閾値を達成することが期待され、低エネルギーガンマ線に対する感度が顕著に向上する。
• 64基のヘリオスタットと2300 m²の集光面積を備えた完全なSTACEE装置は、現在完成し、運用中であり、赤方偏移z ~ 1.0までの銀河間源の連続観測が可能となっている。