[논문 리뷰] Detection of vertical muons with the HAWC water Cherenkov detectors and its application to gamma/hadron discrimination

A. Zuñiga-Reyes, A. Sánchez-Hernández외 7명|arXiv (Cornell University)|2017. 08. 30.

Astrophysics and Cosmic Phenomena참고 문헌 3인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 HAWC 관측소를 위한 새로운 감마/하드론 구분 변수인 MUDECIDER를 제안한다. 이 방법은 수중 츄레노프 검출기의 광전자 배율관(PMT) 간 시간 차이를 이용해 수직 방향의 뮤온을 식별한다. 뮤온의 경우 중심 PMT에 비해 옆면 PMT 신호에 약 5 ns의 특징적인 지연이 발생하므로, 이 성질을 활용해 하드론 배경을 효과적으로 억제할 수 있으며, 시뮬레이션 결과 크랩 성운의 유의성은 0.67σ(3.5%) 향상되었다.

ABSTRACT

The HAWC observatory reconstructs atmospheric showers induced by very high-energy primary cosmic- or gamma-rays. Cosmic-rays with hadronic nature are several orders of magnitude more frequent than primary gammas and therefore it is necessary to perform the best gamma-hadron discrimination for each event to be able to survey the gamma-ray sky. Single vertical muons cause very characteristic signals in the 300 HAWC detectors. Particularly, those events that produce signals in the four PMTs of a tank corresponding to muons traversing the tank in the central region. In such cases exist the correlation that the largest signal is also the earliest to arrive, this due to the geometry of the Cherenkov light emission and the fact that relativistic muons travel faster than the light in the medium. This pattern is different from that of electrons, positrons and low energy gammas showering in the first meter of the tank water, which is typical of electromagnetic showers. In this work, we explored whether in air-showers it is possible to identify muon signals and whether this can help in the gamma/hadron discrimination of the recorded events.

연구 동기 및 목표

• 공기 샤워에서 뮤온 서명을 식별함으로써 HAWC 관측소의 감마/하드론 구분 성능을 향상시키는 것.
• 매우 높은 에너지 감마선 탐지에서 하드론 배경이 감마선보다 수천 배 이상 빈도가 높은 문제를 해결하는 것.
• 상대론적 뮤온의 기하학적 서명을 활용한 시간 해상도가 높은 PMT 신호 기반의 새로운 변수를 개발하는 것.
• 표준 캔들로써 크랩 성운을 사용하여 방법을 검증하고, 그 영향이 유의성 지도에 어떻게 작용하는지 평가하는 것.

제안 방법

• HAWC 탱크의 원시 PMT 히트 데이터를 분석하여, 15 ns 이내로 4개의 PMT가 동시에 작동한 사건을 선별하고, 중심 PMT 근처의 수직 뮤온을 중점적으로 분석.
• 단일 탱크에서 전자 및 뮤온의 몬테카를로 시뮬레이션을 수행하여, 뮤온의 경우 평균 약 5 ns, 전자 및 저에너지 감마선의 경우 평균 약 0 ns인 중심 PMT 대비 옆면 PMT 신호 간 시간 차이 분포(t_peripheral - t_central)를 비교.
• 특징적인 시간 서명을 기반으로 뮤온 후보를 식별하기 위해, 각 사건당 7 ns를 초과하는 시간 차이의 수를 세는 새로운 변수인 MUDECIDER를 정의.
• 실제 및 시뮬레이션된 공기 샤워 데이터에 이 변수를 적용하고, 샤워 크기 및 에너지를 나타내는 nHit(신호가 있는 PMT 수)를 대체 척도로 사용.
• 표준 필터(PINCness, Compactness)를 사용한 크랩 성운의 유의성 지도를 생성하고, MUDECIDER를 포함한 지도와 비교하여 성능 평가.
• 신호 대 배경 비율을 최대화하면서 사건 수를 줄이기 위해 각 샤워 에너지 구간 별로 MUDECIDER의 컷 값 최적화.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 HAWC 공기 샤워에서 PMT 신호 간 시간 차이만을 사용하여 수직 뮤온을 신뢰성 있게 식별할 수 있는가?
• RQ2 중심 PMT에 비해 옆면 PMT 신호에 약 5 ns의 지연이 발생하는 특징적인 시간 지연이 뮤온과 전자기 샤워를 구분하는 데 효과적인 디스커미네이터가 될 수 있는가?
• RQ3 뮤온 함량 기반의 새로운 변수가 HAWC의 에너지 및 방향 재구성에서 감마/하드론 구분 성능을 향상시킬 수 있는가?
• RQ4 MUDECIDER를 포함했을 때, 크랩 성운과 같은 알려진 감마선 소스의 유의성에 미치는 정량적 영향은 무엇인가?
• RQ5 nHit로 측정한 샤워 크기 및 에너지에 따라 MUDECIDER의 성능은 어떻게 변하는가?

주요 결과

• 뮤온의 경우 중심 PMT 대비 옆면 PMT 간 시간 차이 분포는 약 5 ns에서 피크를 이룬 반면, 전자 및 저에너지 감마선의 경우 약 0 ns에서 중심을 이룬다. 이는 명확한 구분이 가능함을 의미한다.
• MUDECIDER 변수는 7 ns를 초과하는 시간 차이의 수를 세어 뮤온 후보를 성공적으로 식별하였으며, 고다중도 사건에서 특징적인 상승을 보였다.
• 크랩 성운의 유의성 지도에서 MUDECIDER를 포함함으로써 최대 유의성은 18.53σ에서 19.20σ로 상승하여 0.67σ(3.5%) 향상되었다.
• 이 방법은 사건 수를 줄이면서도 효과적인 배경 억제를 달성하여 성능 향상을 이룬 것으로 나타났다.
• 최고로 높은 뮤온 후보 수는 200~230개로, nHit > 300인 고에너지 광범위한 샤워에서 관측되어 고에너지 광범위 샤워에 대한 민감도를 확인하였다.
• 에너지 구간(4–9) 전반에 걸쳐 일관된 행동을 보였으며, 최적화된 컷 값은 신호 대 배경 비율을 향상시키면서도 소스 위치 추정 성능을 떨어뜨리지 않았다.