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

A. Zuñiga-Reyes, A. Sánchez-Hernández+7 more|arXiv (Cornell University)|Aug 30, 2017

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 3被引用 3

一句话总结

本文提出了MUDECIDER，一种用于HAWC观测站的新型伽马/强子鉴别变量，通过水契忍科夫探测器中光电倍增管（PMT）之间的时间差识别垂直μ子。通过利用μ子在横向PMT信号相对于中心PMT存在约5 ns延迟的特征，该方法增强了强子背景的抑制效果，在模拟中使蟹状星云的显著性提高了0.67σ（3.5%）。

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.

研究动机与目标

• 通过在空气簇射中识别μ子特征，改进HAWC观测站在伽马/强子鉴别方面的性能。
• 解决超高能伽马射线探测中强子背景（比伽马射线多数千倍）的挑战。
• 开发一种基于时间分辨PMT信号的新变量，利用相对论性μ子的几何特征。
• 以蟹状星云作为标准烛光验证该方法，并评估其对显著性图的影响。

提出的方法

• 分析HAWC水箱中的原始PMT触发数据，识别在15 ns内有四个PMT被触发的事件，重点关注靠近中心PMT的垂直μ子。
• 利用单个水箱中电子和μ子的蒙特卡洛模拟，比较μ子（平均约5 ns）与电磁簇射（平均约0 ns）的时间差分布（t_peripheral - t_central）。
• 定义了一种新变量MUDECIDER，即每事件中超过7 ns的时间差数量，基于其特征时间签名识别μ子候选。
• 将该变量应用于真实和模拟的空气簇射数据，使用nHit（有信号的PMT数量）作为簇射大小和能量的代理变量。
• 使用标准滤波器（PINCness、Compactness）生成蟹状星云的显著性图，并与包含MUDECIDER的图进行比较以评估性能。
• 针对每个簇射能量区间的MUDECIDER优化截断值，以在减少事件数的同时最大化信背比。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否仅通过PMT信号之间的时间差可靠地识别HAWC空气簇射中的垂直μ子？
• RQ2 相对于中心PMT，横向PMT信号中约5 ns的时间延迟是否可作为μ子与电磁簇射之间稳健的判别特征？
• RQ3 基于μ子含量的新变量能否改进HAWC在能量和方向重建中的伽马/强子鉴别能力？
• RQ4 包含MUDECIDER对已知伽马射线源（如蟹状星云）显著性的影响有多大？
• RQ5 MUDECIDER的性能如何随簇射大小和能量（以nHit衡量）变化？

主要发现

• μ子在横向与中心PMT之间的时间差分布峰值约为5 ns，而电子和低能伽马射线则集中在0 ns附近，实现了清晰的区分。
• MUDECIDER变量通过统计超过7 ns的时间差成功识别出μ子候选，且在高多重性事件中表现出特征性上升趋势。
• 在蟹状星云的显著性图中，引入MUDECIDER后最大显著性从18.53σ提升至19.20σ，提升0.67σ（3.5%）。
• 该方法在减少记录事件数的同时实现此改进，表明背景抑制效果显著。
• 每簇射中μ子候选的最大数量达到200–230个，出现在高nHit事件（nHit > 300）中，证实对高能、广延簇射的敏感性。
• 该变量在能量区间4–9内表现一致，经优化的截断值在不损害源定位精度的前提下提升了信背比。