[论文解读] Detectability of Prompt TeV Gamma Rays of Proton Synchrotron Origin from Gamma Ray Bursts by AMANDA/ICECUBE Detectors

Pijushpani Bhattacharjee, Nayantara Gupta|Nov 8, 2002

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 3被引用 4

一句话总结

本文研究了通过质子-同步辐射机制，利用AMANDA和ICECUBE中微子探测器探测伽马暴（GRBs）的瞬时TeV伽马射线的可探测性。研究发现，尽管星际吸收会阻止AMANDA探测到信号，但ICECUBE仅能探测到红移z < 0.05的近距离伽马暴的TeV光子，且其各向同性光度必须超过10^56 erg/s，这意味着高能成分的光度必须远高于标准的keV–MeV辐射。

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.

研究动机与目标

• 评估利用AMANDA和ICECUBE等冰下μ子探测器探测GRBs瞬时TeV伽马射线的可行性。
• 研究质子-同步辐射模型作为GRBs中高能伽马射线产生机制的适用性，该机制要求质子被加速至>10^20 eV的能量。
• 确定在考虑星际吸收和源不透明度的前提下，ICECUBE中可探测到μ子信号所需的光度和红移条件。
• 比较现有AMANDA与拟议中的ICECUBE探测器在TeV光子探测能力上的差异，考虑其有效面积的差异。
• 在不同能谱和天体物理假设下，量化由GRBs产生的TeV光子引发的μ子簇射的信噪比。

提出的方法

• 在GRB喷流中建模质子-同步辐射发射过程，其中超高能质子在强磁场中通过同步辐射发射TeV光子。
• 基于质子能量分布、磁场强度和喷流的洛伦兹因子，计算TeV伽马射线的光子能谱和光度。
• 估算在GRB源内及星际红外背景中由对产生引起的光学厚度，以评估光子吸收情况。
• 模拟TeV光子引发的大气级联反应，包括μ子的产生与向探测器的传播。
• 利用探测器几何结构和有效面积，计算AMANDA和ICECUBE探测器中单个GRB的预期μ子信号率和信噪比。
• 对束流和准直效应进行修正，将所需各向同性光度减少Ω/4π倍，以适应喷流状发射。

实验结果

研究问题

• RQ1 通过GRB中质子-同步辐射发射产生的TeV伽马射线能否被AMANDA或ICECUBE探测器探测到？
• RQ2 在考虑星际吸收的前提下，ICECUBE中可探测到μ子信号所需的高能成分各向同性光度是多少？
• RQ3 星际红外背景吸收如何影响不同红移下GRBs的TeV光子可探测性？
• RQ4 由于内部对产生导致的源不透明度，对高能光子从GRBs中逃逸有何影响？
• RQ5 AMANDA与ICECUBE之间有效面积的差异如何影响GRBs的TeV光子探测能力？

主要发现

• TeV光子在星际红外背景中的吸收使得在当前运行的AMANDA探测器中，无论高能成分光度如何合理，均无法探测到信号。
• 拟议中的ICECUBE探测器，其对下向μ子的有效面积约为AMANDA的100倍，若GRBs足够近，则可探测到TeV光子。
• 由于在较高红移处吸收强烈，只有红移z < 0.05左右的GRBs才有望在ICECUBE中以合理的信噪比被探测到。
• TeV伽马射线成分所需的各向同性光度超过10^56 erg/s，这比BATSE观测到的典型keV–MeV光度高出3–4个数量级。
• 质子同步辐射光度超过其逃逸光度的条件为E_pb < 2.72 × (E_p,min × E_p,max)^1/2，该条件在合理的GRB参数下可满足。
• 当质子能谱指数α_p = 2时，只有在质子能量分布和磁场强度有利的情况下，质子-同步辐射机制才能产生可探测的高能成分。