[论文解读] Probing the CR positron/electron ratio at few hundreds GeV through Moon shadow observation with the MAGIC telescopes

P. Colin, Daniela Borla Tridon+7 more|Oct 2, 2011

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 2被引用 9

一句话总结

本论文首次尝试利用MAGIC切伦科夫望远镜通过月影效应测量300–700 GeV能段的宇宙射线正电子/电子比。通过利用带电粒子的地磁偏转效应，并在高背景月光条件下观测月球影子，尽管面临挑战，研究仍证明了该方法的可行性，估计灵敏度为4.4% Crab单位，检测所需观测时间为50–200小时，强调未来如CTA等仪器的必要性，以实现及时结果。

ABSTRACT

The antimatter components measured in the Cosmic Ray (CR) flux are thought as secondary particles induced by the propagation of galactic CRs within the galaxy. Recent results from the PAMELA experiment show an unexpected increase of the positron electron ratio above 10 GeV. There could be different interpretations to explain that result, the most discussed ones being the signature of nearby compact astrophysical source(s) or of dark matter annihilation/decay. Probing the positron-fraction rise above 100 GeV would help to disentangle among different scenarios. Imaging Atmospheric Cherenkov Telescopes (IACT) can extract the cosmic lepton signal from the hadronic CR background between a few hundred GeV and a few TeV and reconstruct energy and incident direction with a very good resolution. In addition, by using the natural spectrometer formed by the Moon and the geomagnetic field, it is possible to measure the positron/electron ratio at the TeV regime through the observation of the CR Moon shadow. Despite the technique is particularly challenging because of the high background light induced by the Moon and the treatment of data, the MAGIC collaboration has performed for the first time such observations in 2010 and 2011. Here we present the observation strategy and the performance achieved during this campaign.

研究动机与目标

• 测量300 GeV以上能段的宇宙射线正电子/电子比，该能段理论模型出现分歧，且在全电子谱和正电子分数中观测到异常。
• 测试利用月影效应作为成像大气切伦科夫望远镜（IACTs）在TeV能区探测宇宙射线轻子的可行性。
• 在保持电子和正电子探测角分辨率与能量分辨率的同时，克服月光引起的高天空背景光的挑战。
• 估算MAGIC探测电子和正电子月影所需的观测时间与灵敏度，并评估下一代IACT如CTA的潜力。

提出的方法

• 利用地球/月球系统作为天然谱仪，月球吸收宇宙射线，地磁场根据粒子电荷和刚度对带电粒子产生偏转。
• 在高背景月光条件下，以立体模式观测MAGIC望远镜的月影，应用图像清洗与方向重建技术，区分电子诱导的簇射与强子背景。
• 通过在相似高夜天背景（NSB）条件下对蟹状星云的观测，校准能量阈值与角分辨率，实现200 GeV的阈值和亚度级分辨率。
• 基于粒子能量与电荷模拟预期的月影形状，预测由于地磁偏转，东-西方向出现展宽的缺失区域，半高全宽为月球角直径的2–3倍。
• 通过蒙特卡洛模拟，将月影中的缺失流量（与全电子谱及月球立体角成正比）与蟹状星云流量比较，估算灵敏度。
• 在不同成分假设下（从100%电子到40%正电子）评估电子与正电子月影的检测时间需求。

实验结果

研究问题

• RQ1 在月光引起的高背景光条件下，地面IACT能否利用月影效应探测300–700 GeV能段的正电子/电子比？
• RQ2 在存在高夜天背景的现实观测条件下，MAGIC望远镜对电子与正电子月影的灵敏度如何？
• RQ3 考虑到有限的年观测窗口，MAGIC完成电子与正电子月影的统计显著检测需要多长时间？
• RQ4 MAGIC的能量与角分辨率在多大程度上影响了由地磁偏转导致的展宽月影结构的可探测性？
• RQ5 下一代IACT如CTA将在多大程度上提升灵敏度并缩短此类测量的所需观测时间？

主要发现

• 在月影观测期间，即使在高夜天背景条件下，MAGIC望远镜对电子簇射的能量阈值为200 GeV，角分辨率小于0.1°。
• 在50小时内，MAGIC对300 GeV以上蟹状星云通量的灵敏度达到1.2% Crab单位，表明其在高背景光下仍具强大性能。
• 探测电子月影的估计灵敏度为蟹状星云通量的4.4%，对应100%电子成分下约需50小时的观测时间。
• 当正电子分数为40%时，所需观测时间增至约200小时；当正电子分数为20%时，时间超过800小时，使得在当前数据采集率（每年每影少于10小时）下，单个观测周期内实现检测不切实际。
• 研究预测，下一代IACT如CTA可将电子月影的检测时间缩短至5小时以内，显著提升可行性。
• 月影效应仍是探测高能正电子/电子比的可行方法，但仅适用于能在强月光下有效运行并实现长时间积分高灵敏度的仪器。