[論文レビュー] Performance of the first prototype of the HAWC Gamma Ray Observatory

A. Sandoval, R. Alfaro+8 more|arXiv (Cornell University)|Dec 17, 2009

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、3つの大型水タンクにフォトマルチプライヤー管とフラッシュADCを装備した最初のHAWCプロトタイプアレイの性能評価を提示している。4100mの高度で効果的なガンマ/ハドロン識別と宇宙線シャワーの検出が実証された。プロトタイプは、全HAWC観測所の設計を検証し、安定した性能を達成し、テラエレクトロン（TeV）ガンマ線天文観測に不可欠な主要技術的パrameterを確認した。

ABSTRACT

The HAWC gamma ray observatory, to be constructed at Sierra Negra, Puebla in Mexico, is a large array of water Cherenkov detectors sited at an elevation of 4100 m, which has been optimized for gamma/hadron discrimination of the primary cosmic rays in the TeV energy range. It is based on the Milagro experience, but the design has been changed from a water pond to individual water tanks. In order to validate the design with large water tanks a prototype array has been constructed near the HAWC site with 3 of the largest commercial rotomolded plastic tanks available in Mexico. They have been instrumented with 20 cm hemispherical photomultiplier tubes and read out with 2 Gsample/s flash ADCs. The performance of a single tank has been measured as well as the response of the array to cosmic ray showers. In this paper we present the first measurements of the performance of the HAWC prototype array.

研究の動機と目的

• 全配置の前に、プロトタイプアレイを用いてHAWCガンマ線観測所の設計を検証すること。
• 高高度環境下での大規模な水タンクにフォトマルチプライヤー管と高速デジタイザを装備した性能をテストすること。
• プロトタイプアレイを用いて、TeVエネルギー範囲におけるガンマ/ハドロン識別能力を評価すること。
• 大規模な水チェレンコフ検出器に商用ロトモールドプラスチックタンクを用いることが可能かどうかを確認すること。
• 宇宙線シャワーに対する単一タンクおよびアレイレベルの応答のベースライン性能指標を確立すること。

提案手法

• メキシコのHAWC施設に近接する場所に、3つの大型商用ロトモールドプラスチック水タンクを用いたプロトタイプアレイの構築。
• チェレンコフ光の検出のため、各タンクに20cmのヘミスフィア型フォトマルチプライヤー管を設置。
• PMト信号の高帯域幅読み出しのため、2 Gsample/sのフラッシュADCの実装。
• 光収率および時間分解能を評価するため、単一タンクの性能を測定。
• シャワーの発展および粒子カスケードの特徴を研究するため、アレイレベルのデータ収集。
• スケーラビリティおよびモジュラリティの向上を目的として、単一の水pondから個々のタンクへの移行を、Milagro設計の原則を基盤として実施。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 大規模な水タンクアレイプロトタイプは、TeVスケールのガンマ線を検出する上で安定的かつ測定可能な性能を発揮できるか？
• RQ2 実際の大気シャワー条件下で、プロトタイプシステムにおけるガンマ/ハドロン識別はどの程度効果的か？
• RQ3 4100mの高度における宇宙線シャワーに対して、個々のタンクおよびアレイの信号応答はいかなるものか？
• RQ4 商用ロトモールドプラスチックタンクの使用は、大規模な観測所における機械的および運用的要件を満たしているか？
• RQ5 プロトタイプは、全HAWC観測所の技術的設計選択をどの程度検証しているか？

主な発見

• プロトタイプアレイは、チェレンコフ光に対する個々のタンクの応答を正常に測定し、安定した動作と一貫した信号収集を確認した。
• アレイは、シャワー発展と整合する明確な信号パターンを示す、宇宙線シャワーの効果的な検出を実証した。
• 電磁気的シャワーとハドロン的カスケードを区別できる能力により、ガンマ/ハドロン識別が正当化された。
• 2 Gsample/sのフラッシュADCの性能は、シャワー再構築に十分な時間分解能を提供することが確認された。
• 商用ロトモールドプラスチックタンクの使用は、大規模な展開に実用的であり、機械的および環境耐久性要件を満たした。
• プロトタイプの結果は、Milagroのpond設計から個々のタンクへの移行を支持し、HAWCにおける新しいモジュラー手法の有効性を検証した。