[논문 리뷰] Detectability of Prompt TeV Gamma Rays of Proton Synchrotron Origin from Gamma Ray Bursts by AMANDA/ICECUBE Detectors

Pijushpani Bhattacharjee, Nayantara Gupta|2002. 11. 08.

Gamma-ray bursts and supernovae참고 문헌 3인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 AMANDA 및 ICECUBE 중성자소자들을 이용하여 프로톤-시크로트론 메커니즘을 통한 감마선 폭발(GRBs)의 프롬프트 테바라드 감마선 탐지 가능성에 대해 조사한다. 간행물 간 흡수로 인해 AMANDA에서는 탐지가 불가능하지만, ICECUBE는 고도로 높은 에너지 성분이 표준 keV–MeV 방출보다 훨씬 더 밝은 경우, 적색편이 z < 0.05 이하의 가까운 GRB들로부터만 테바라드 광자를 탐지할 수 있다.

ABSTRACT

The detectability of a possible ``high'' energy ($&gt;100\gev$) component of Gamma-Ray Bursts (GRBs) using AMANDA/ICECUBE large area muon detectors is examined within the context of a specific model of such high energy gamma ray production within GRBs, namely, the proton-synchrotron model, which requires protons to be accelerated to ultrahigh energies $\gsim10^{20}\ev$ within GRBs. In this model, the high energy component is distinct from, but may well be emitted in coincidence with, the usual ``low'' (keV--MeV) energy component observed by satellite-borne detectors. The AMANDA/ICECUBE detectors can detect TeV photons by detecting the secondary muons created by the TeV photons in the Earth's atmosphere. We calculate the muon signal to noise ratio in these detectors due to TeV gamma-rays from individual GRBs for various assumptions on their luminosity, distance (redshift), Lorentz Gamma factor of the underlying fireball model, and various spectral characteristics of the GRBs, including the effect of the absorption of TeV photons within the GRB as well as in the intergalactic infrared radiation background. The intergalactic absorption effect essentially precludes detection of TeV photons in the AMANDA detector for reasonable values of the luminosity in the high energy component, but they may well be detectable in the proposed ICECUBE detector which may have an effective area for downward-going muons a factor of 100 larger than that in AMANDA. However, even in ICECUBE, only relatively close-by GRBs at redshifts $&lt; 0.05$ or so can be expected to be detectable with any reasonable degree of confidence. We discuss the requirement on the luminosity of the GRB in the high energy component for its detectability in ICECUBE.

연구 동기 및 목표

• AMANDA 및 ICECUBE와 같은 빙하 내의 뮤온 검출기들을 이용하여 GRB의 프롬프트 테바라드 감마선 탐지 가능성 평가.
• 프로톤-시크로트론 모델이 GRB 내 고에너지 감마선 생성 메커니즘으로서의 가능성을 검토하며, 이는 10^20 eV 이상으로 가속화된 프로톤을 필요로 한다.
• ICECUBE에서 탐지 가능한 뮤온 신호를 위한 필수 빛의 세기 및 적색편이 조건을 도출하며, 간행물 간 흡수 및 소스 투과도를 고려한다.
• 기존의 AMANDA와 제안된 ICECUBE 검출기 간의 탐지 가능성 비교를 수행하며, 유효 면적의 차이를 고려한다.
• 다양한 스펙트럼 및 천체물리적 가정 하에 GRB에서 기인한 테바라드 광자가 유도하는 뮤온 쇼어의 신호 대 잡음비를 정량화한다.

제안 방법

• 강한 자기장 내에서 초고에너지 프로톤이 시크로트론 복사로 테바라드 광자를 방출하는 GRB 화염공 내 프로톤-시크로트론 복사 과정 모델링.
• 화염공의 레이저 인자 및 자기장 강도, 프로톤 에너지 분포를 기반으로 테바라드 감마선의 스펙트럼 및 빛의 세기 계산.
• GRB 소스 내부 및 간행물 간 적외선 배경에서의 쌍생성에 의한 광자 흡수율 평가를 통한 흡수 정도 평가.
• 대기 중 테바라드 광자가 유도하는 캐스케이드를 시뮬레이션하며, 뮤온 생성 및 검출기까지의 전파 과정 포함.
• 검출기 기하학 및 유효 면적을 이용하여 개별 GRB에 대해 AMANDA 및 ICECUBE 검출기에서 예상되는 뮤온 신호율과 신호 대 잡음비 계산.
• 비틀림 및 빔형태 보정을 적용하여 제트형 방출의 경우 필요 빛의 세기를 Ω/4π 배로 감소시킴.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 GRB 내 프로톤-시크로트론 복사로 생성된 테바라드 감마선이 AMANDA 또는 ICECUBE 검출기에서 탐지 가능한가?
• RQ2 간행물 간 흡수를 고려할 때, ICECUBE에서 탐지 가능한 뮤온 신호를 얻기 위해 필요한 고에너지 성분의 등방성 빛의 세기는 얼마인가?
• RQ3 간행물 간 적외선 배경 흡수의 영향으로 인해, 다양한 적색편이에서 GRB의 테바라드 광자 탐지 가능성은 어떻게 달라지는가?
• RQ4 내부 쌍생성에 의한 소스 투과도가 GRB에서 고에너지 광자가 탈출하는 데 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 AMANDA와 ICECUBE 간 유효 면적의 차이가 GRB의 테바라드 광자 탐지 가능성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 간행물 간 적외선 배경에 의한 테바라드 광자 흡수로 인해, 고에너지 성분의 합리적인 빛의 세기 조건에서도 현재 운영 중인 AMANDA 검출기에서는 탐지가 불가능하다.
• AMANDA보다 약 100배 더 큰 하향형 뮤온에 대한 유효 면적을 갖는 제안된 ICECUBE 검출기에서는, 충분히 가까운 거리에 있는 GRB들로부터 테바라드 광자를 탐지할 수 있다.
• 강한 흡수로 인해 높은 적색편이에서의 탐지가 어려우므로, ICECUBE에서 탐지 가능한 GRB는 적색편이 z < 0.05 정도 이하일 것으로 예상된다.
• 테바라드 감마선 성분의 등방성 빛의 세기는 10^56 erg/s를 초과해야 하며, 이는 BATSE가 관측한 일반적인 keV–MeV 빛의 세기보다 약 3~4개의 지수 배수 높은 수준이다.
• 프로톤의 시크로트론 빛의 세기가 그들이 탈출하는 빛의 세기보다 높아지기 위한 조건은 E_pb < 2.72 × (E_p,min × E_p,max)^1/2이며, 이는 합리적인 GRB 매개변수 조건에서 달성 가능하다.
• 프로톤 스펙트럼 지수 α_p = 2일 경우, 프로톤 에너지 분포 및 자기장 강도가 유리한 조건이어야만 프로톤-시크로트론 메커니즘이 탐지 가능한 고에너지 성분을 생성할 수 있다.