[论文解读] First Results from HAWC on GRBs

D. Lennarz, I. Taboada|arXiv (Cornell University)|Aug 28, 2015

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 9被引用 3

一句话总结

本论文首次利用HAWC观测到伽马射线暴（GRBs），其大视场和高观测时间占比的设计使其能够搜索甚高能（VHE）伽马射线发射。尽管在考虑试错校正后未在3σ以上显著检测到信号，HAWC仍设定了GRB 130427A的首个VHE通量极限，并实现了对背景的4σ水平理解，展示了其在未来GRB后续观测和光谱约束方面的潜力。

ABSTRACT

In this contribution, the first results of HAWC, searching for VHE gamma-ray emission from gamma-ray bursts (GRBs) reported by $\mathit{Swift}$, are presented. The HAWC gamma-ray observatory is operating in central Mexico at an altitude of 4,100 m above sea level. With an instantaneous field of view of approximately 2 sr and over 95% duty cycle (up time fraction), HAWC is an ideal detector to perform ground-based gamma-ray observations of GRBs. Though optimised for TeV observations, HAWC has significant sensitivity to short transients of energies as small as 50 GeV. The analysis method used for fast online and offline HAWC follow up of GRBs reported by satellites is described.

研究动机与目标

• 利用HAWC观测站的独特能力，搜索GRBs的甚高能（VHE）伽马射线发射。
• 鉴于其大瞬时视场（~2 sr）和高运行时间（>95%），评估HAWC对短时变源（尤其是GRBs）的敏感度。
• 利用非观测数据建立稳健的背景建模技术，以区分潜在的VHE信号与宇宙射线背景。
• 尽管探测器配置不完整且天顶角较高，仍设定了GRB 130427A的首个VHE通量极限。
• 评估HAWC检测GRBs VHE发射的潜力，包括那些在Fermi-LAT观测范围之外仍具有延长发射的GRBs。

提出的方法

• HAWC采用水契伦科夫技术，通过300个装满水的水箱探测由VHE伽马射线引发的广延空气簇射所产生的契伦科夫光。
• 主数据获取系统记录完整的簇射事件，支持对簇射方向和能量的重建，并应用伽马-强子分离技术以减少宇宙射线背景。
• 通过将全天事件率按比例缩放以匹配GRB触发前后非观测区的数据，构建背景模型，同时排除GRB位置附近的区域以避免污染。
• 通过比较观测计数与背景估计值，假设服从泊松分布来计算显著性，搜索圆半径为3°，中心位于GRB位置。
• 本分析使用HAWC-111期间的数据（2013年8月2日至2014年7月8日），期间在视场内观测到18个Swift定位的GRBs。
• 未来还将计划使用自触发搜索方法，以检测未被卫星报告的GRBs。

实验结果

研究问题

• RQ1 HAWC能否利用其大视场和高观测时间占比检测GRBs的VHE伽马射线发射？
• RQ2 HAWC在多大程度上能建模并减去宇宙射线背景，以隔离潜在的VHE GRB信号？
• RQ3 HAWC对GRBs的VHE发射敏感度极限是多少，特别是对明亮且定位良好的爆发如GRB 130427A？
• RQ4 HAWC在检测高能GRB发射方面与Fermi-LAT等卫星仪器相比表现如何？
• RQ5 HAWC能否约束GRB发射在Fermi-LAT观测到的最高能量之外的光谱延伸？

主要发现

• 通过25,188个虚假GRB位置的显著性分布进行高斯拟合，确认HAWC的背景模型对事件率的理解达到了4σ水平。
• GRB 140607A在观测期间的显著性为3.1σ，但在考虑18次爆发的试错因子后降至2.5σ。
• 在试错校正后，没有任何GRB的显著性超过3σ，表明在HAWC-111数据集中未检测到具有统计显著性的VHE信号。
• 尽管因天顶角较高且探测器配置不完整，HAWC仍设定了GRB 130427A的首个VHE通量极限，但其极限值约为Fermi-LAT数据简单外推结果的两个数量级。
• 分析表明，未来在HAWC-250和完整HAWC配置中，伽马-强子分离切片可使检测显著性提高50%–100%。
• 若历史GRBs（如GRB 090510和090902B）的发射能量略高于Fermi-LAT观测的最高能量，HAWC具备足够敏感度进行探测；即使在无光谱延伸的情况下，也能探测到类似130427A的GRB。