[論文レビュー] TeV gamma-ray survey of the northern sky using the ARGO-YBJ experiment

Z. Cao, S.Z. Chen|arXiv (Cornell University)|Oct 9, 2011

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 7

ひとこと要約

本論文では、チベットのARO-YBJ広大な空気シャワー実験を用いて、南天の空（赤緯 -10° から 70°）を4年間にわたりTeVガンマ線サーベイを実施した。この実験は高い稼働率（86%以上）と広い視野（約2 sr）を達成した。サーベイでは、5σ以上の有意性を示す4つのTeV源が検出され、その中には17σの有意性を示すカクブネビュラが含まれていた。全天球方向に対して90%信頼水準の上昇限界を、ガンマ線流量の観点から最も厳密に設定し、最適な赤緯におけるカクブ型源では0.09カクブ単位にまで達した。

ABSTRACT

The ARGO-YBJ experiment is an extensive air shower array with full coverage RPC detectors located at Yangbajing (4300 m asl, Tibet, China). It is operated with high duty cycle (>86%) and a large field of view ($\sim$ 2sr). It continuously monitors the entire overhead sky at $γ$-ray energies above 0.1 TeV. In the talk, we will present the result of the northern sky survey (between declinations of -10$^{\circ}$ and 70$^{\circ}$) from an analysis of ~4 years of the ARGO-YBJ data (between July 2006 and February 2011). There are four known TeV sources observed with significance greater than 5 S.D.. The significance from Crab Nebula is more than 16 S.D.. 90% confidence level upper limits to the flux from all directions in the sky are also presented, which vary from 0.09 to 0.53 Crab unit for Crab-like point sources.

研究の動機と目的

• 広大な空気シャワー配列を用いて、TeVエネルギー帯における北天の空の偏りのない継続的サーベイを実施すること。
• 従来の実験と比較して、非常に高エネルギー（VHE）ガンマ線源の感度と天球カバー範囲を向上させること。
• 北天の空における未検出のTeV点源の90%信頼水準の上昇限界を設定すること。
• 4年間にわたる連続運用におけるARGO-YBJの累積感度を評価すること。

提案手法

• ARGO-YBJ実験は、チベットの標高4300mに位置する5600 m²の抵抗板チャネル（RPC）アレイを用い、TeVガンマ線から生じる広大な空気シャワーを検出する。
• 2006年7月から2011年2月までの間に収集された1.7 × 10¹¹件のデータを、赤経と赤緯の0.1° × 0.1°グリッドで分析した。
• 背景イベントの推定と各スカイビンごとのガンマ線過剰を抽出するために、直接積分法が適用された。
• モンテカルロシミュレーションを用いて、検出器の応答、エネルギー閾値、および源の赤緯とスペクトル指数に応じた角度分解能をモデル化した。
• エネルギー依存性のある受容率と源の赤緯を補正したヘレン法を用いて、90%信頼水準での流量上昇限界を計算した。
• 異なるスペクトル指数（-2.0、-2.6、-3.0）に対して感度を評価し、中央値エネルギー閾値は、源の位置とスペクトルに応じて0.36 TeVから4.5 TeVの範囲で変動した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ARGO-YBJは、北天の空（赤緯 -10° から 70°）における点源的TeVガンマ線源に対して、どの程度の感度を有するか？
• RQ2 4年間のARGO-YBJデータにおいて、有意性が5σを超える既知のTeV源はどれか？
• RQ3 北天の空における未検出のTeV点源に対する、最も厳しい90%信頼水準の上昇限界は何か？
• RQ4 源の赤緯とスペクトル指数に応じて、ARGO-YBJのエネルギー閾値と有効感度はどのように変化するか？
• RQ5 ARGO-YBJの流量上昇限界は、Milagro や Tibet ASγ といった以前の実験と比較してどうなるか？

主な発見

• カクブネビュラは17標準偏差の有意性で検出され、累積感度が0.3カクブ単位であることを示した。
• 有意性が5σを超えるTeV源が4つ検出された：カクブネビュラに加え、MGRO J1908+06とMGRO J2031+41を含む3つの他の源。
• 0.1 TeV以上の積分流量に対する90%信頼水準の上昇限界は、赤緯に応じて0.09から0.53カクブ単位の範囲にあり、これまでで最も厳しい制限である。
• スペクトル指数が-2.0の源では、最良の上昇限界がカクブ単位の3%（0.0296カクブ単位）であり、スペクトル指数が-3.0の軟らかめのスペクトルでは20%（0.20カクブ単位）であった。
• 上昇限界は源のスペクトルに強く依存しており、より硬いスペクトル（例：-2.0）では、より軟らかめのスペクトル（例：-3.0）よりも感度が優れている。
• ARGO-YBJの上昇限界は、Milagroが報告したMGRO J2019+37の流量よりも低く、これは流量の変動性または初期測定値の過大評価の可能性を示唆している。