[论文解读] MAGIC sensitivity to millisecond-duration optical pulses

T. Hassan, John Hoang+7 more|arXiv (Cornell University)|Aug 25, 2017

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 11被引用 3

一句话总结

本研究通过实验确定了MAGIC切伦科夫望远镜中心像素对孤立1–10 ms光学脉冲的灵敏度，实现了U波段检测阈值m = 13.5 ± 0.6。通过在明亮恒星间快速移动望远镜，并将测得的电压与已知恒星星等进行相关分析，该方法建立了线性的电压-星等响应关系，从而能够探测与快速射电暴（FRB）相关的无伴毫秒级光学闪光。

ABSTRACT

The MAGIC telescopes are a system of two Imaging Atmospheric Cherenkov Telescopes (IACTs) designed to observe very high energy (VHE) gamma rays above ~50 GeV. However, as IACTs are sensitive to Cherenkov light in the UV/blue and use photo-detectors with a time response well below the ms scale, MAGIC is also able to perform simultaneous optical observations. Through an alternative system installed in the central PMT of MAGIC II camera, the so-called central pixel, MAGIC is sensitive to short (1ms - 1s) optical pulses. Periodic signals from the Crab pulsar are regularly monitored. Here we report for the first time the experimental determination of the sensitivity of the central pixel to isolated 1-10 ms long optical pulses. The result of this study is relevant for searches of fast transients such as Fast Radio Bursts (FRBs).

研究动机与目标

• 通过实验测定MAGIC中心像素系统对孤立毫秒级光学脉冲的灵敏度。
• 在望远镜快速移动过程中，对来自明亮恒星的已知光学流量进行中心像素电压响应校准。
• 为与快速射电暴（FRB）搜索相关的无伴光学闪光建立定量检测阈值。
• 利用著名的蟹状脉冲星光 light curve 作为参考，验证系统性能。
• 实现甚高能（VHE）伽马射线与光学时域观测的同时进行，时间分辨率极高。

提出的方法

• 将中心像素的直流分支升级为带宽超过3 kHz，以实现对快速光学脉冲的探测。
• 实施了光学光纤传输系统，将中心像素信号从望远镜相机传输至计数室。
• 部署专用光学接收器夹层板，将光信号转换回电信号，并分别路由至标准Domino DAQ系统和中心像素PC，实现独立数字化。
• 望远镜以约4.7 deg/s的速度在天空中移动，使经过中心像素视场的恒星产生约20 ms的光学脉冲。
• 通过高斯展宽模型模拟脉冲展宽，将测得的脉冲幅度与望远镜点扩散函数（PSF）内恒星的已知星等进行关联。
• 对关联脉冲的电压-星等关系进行线性拟合，并外推至5σ噪声阈值以确定灵敏度。

实验结果

研究问题

• RQ1 使用MAGIC中心像素系统，对1 ms孤立闪光的最小可探测光学星等是多少？
• RQ2 在高速移动过程中，中心像素的电压响应与明亮恒星已知星等之间的相关性如何？
• RQ3 在高速移动期间，中心像素系统能否可靠地区分真实光学脉冲与背景噪声？
• RQ4 该系统的灵敏度在多大程度上与基于蟹状脉冲星光曲线预期的响应一致？
• RQ5 中心像素系统在探测毫秒级光学暂现源时的有效带宽和时间分辨率是多少？

主要发现

• 中心像素系统在U波段对孤立1 ms光学闪光的探测灵敏度阈值达到m = 13.5 ± 0.6。
• 建立了测得脉冲幅度与通过中心像素视场的恒星已知星等之间的线性电压-星等关系。
• 系统成功探测到因望远镜移动导致持续约20 ms的恒星光学脉冲，证实了其时间分辨率能力。
• 测得的灵敏度与基于蟹状脉冲星光曲线推导出的预期响应一致，验证了校准方法的有效性。
• 中心像素系统可实现甚高能伽马射线与光学暂现源的同时探测，时间分辨率低于1毫秒。
• 在移动过程中，指向精度和PSF的系统不稳定因素导致校准数据出现分散，但未影响整体校准的有效性。