[論文レビュー] Calibration Techniques for VERITAS

D. Hanna|arXiv (Cornell University)|Sep 27, 2007

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 7

ひとこと要約

本論文では、VERITASチェレンコフ望遠鏡アレイのキャリブレーション技術を提示しており、PMTの増幅率を測定するためのレーザーパulsesと、光学スループットを評価するためのミューオンリングを用いている。PMT増幅率と光学スループットの系統的不確実性が10%未満に抑えられ、安定した、望遠鏡間の増幅率キャリブレーションが達成されており、期待値と10%以内に一致するphotostatistics法および単一光電子ピークフィッティング法によって検証されている。

ABSTRACT

VERITAS is an array of four identical telescopes designed for detecting and measuring astrophysical gamma rays with energies in excess of 100 GeV. Each telescope uses a 12 m diameter reflector to collect Cherenkov light from air showers initiated by incident gamma rays and direct it onto a `camera' comprising 499 photomultiplier tubes read out by flash ADCs. We describe here calibration methods used for determining the values of the parameters which are necessary for converting the digitized PMT pulses to gamma-ray energies and directions. Use of laser pulses to determine and monitor PMT gains is discussed, as are measurements of the absolute throughput of the telescopes using muon rings.

研究の動機と目的

• デジタイズドPMT信号を正確なガンマ線エネルギーおよび方向測定に変換するための、VERITASチェレンコフ望遠鏡アレイに信頼性の高いキャリブレーション手法を開発・実装すること。
• 望遠鏡の運用期間中にPMT増幅率および光学スループットの時間的変動をモニタリングおよび補正すること。
• 自然のミューオンリングを基準として用いることで、望遠鏡間のキャリブレーションおよび絶対的スループット測定を可能とすること。
• レーザーを用いたphotostatistics法および単一光電子ピークフィッティングにより、増幅率測定の系統的誤差を低減すること。
• 独立した手法（レーザー強度モニタリングおよびミューオンリング画像解析など）を用いてキャリブレーション手順を検証すること。

提案手法

• 337 nm、300 µJ、4 nsの窒素レーザーを用い、光学ファイバーやオパール拡散板を通じてカメラを照射することで、均一なフラットフィールディングおよび増幅率モニタリングを実現している。
• ノーマル強度で毎晩10 Hzのレーザーランを実施し、PMT増幅率の変化とフラットフィールディングを、各チャネルの平均パルス振幅が等しくなるように高電圧を調整することで監視している。
• レーザーデータにphotostatisticsを適用：増幅率は $ G' = 0.82 \sigma^2 / \mu $ として計算され、$ \alpha = 0.47 $ のポリア分布モデルを用いてダイナドノイズを補正している。
• 極めて減衰したレーザーパulsesを用いて単一光電子ピークを解像し、パルスサイズスペクトルをガウス分布でフィッティングすることで平均電荷および幅を抽出し、増幅率を決定している。
• 宇宙線ミューオンによるミューオンリング画像を用いて光学スループットをクロスチェックしている。クリーニング処理を施したリング画像を、チェレンコフ角および幾何学的条件に基づき期待される光子収率に合わせてフィッティングしている。
• ミューオンリングにおける単位弧長あたりの正規化電荷を比較することで、望遠鏡間のキャリブレーションを達成しており、アレイ全体でバランスが保たれている。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 大規模なチェレンコフ望遠鏡アレイにおいて、PMT増幅率を時間経過に伴って正確に測定・モニタリングする方法は何か？
• RQ2 レーザーを用いたphotostatistics法と単一光電子フィッティング法は、PMT増幅率測定においてどの程度一致するか。また、残存する系統的誤差は何か？
• RQ3 自然のミューオンリングは、光学スループットおよび望遠鏡間バランスのための信頼性の高い絶対キャリブレーション基準として利用可能か？
• RQ4 キャリブレーション定数は時間経過に伴いどの程度安定しているのか。長期間にわたる一貫性を保つための手法は何か？
• RQ5 フロントエンド部品（例：光電子源、ウィンストンコーン）が増幅率キャリブレーションに与える影響は何か。その変動はどのように補正されているか？

主な発見

• photostatistics法により、ダイナドノイズを補正した増幅率推定値 $ G' = 0.82 \sigma^2 / \mu $ が得られた。この補正にはポリア分布パラメータ $ \alpha = 0.47 $ が用いられている。
• 単一光電子ピークの幅は0.48と測定され、増幅率を2倍にした条件でのシミュレーション値0.44と整合的であった。
• 高電圧設定の変更に関わらず、各PMTが捕える平均光電子数は一定であった。これは、増幅率の変動が増幅器応答の変化に起因するものであり、光電子源効率の変化とは無関係であることを確認している。
• レーザーを用いたphotostatistics法と単一光電子フィッティング法による増幅率測定は10%以内に一致しており、相関係数の勾配が1.1であるため、わずかではあるが測定可能な系統的誤差が存在することが示された。
• 望遠鏡1と2におけるミューオンリング電荷の正規化値には優れた一致が見られ、望遠鏡間のバランスおよび時間的安定性が確認された。
• 3 mmの穴を空けたアルミニウム板の使用により、夜間の空の背景放射が低減され、月明かり下でも単一光電子測定が可能になった。