[论文解读] Search for Gamma Ray Bursts using the single particle technique at the Pierre Auger Observatory

X. Bertou|arXiv (Cornell University)|Jun 8, 2007

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 1被引用 4

一句话总结

本文使用单粒子技术在皮埃尔·让天文台对高能伽马射线暴（GRBs）进行了搜索，该技术通过探测阵列中背景粒子率的相干增加来识别由光子引发的簇射。尽管分析了1.5年数据（79%运行时间），并实现了对最低1 m⁻²s⁻¹通量的灵敏度，但未检测到GRB信号，因此在1–1000 GeV能量范围内设定了最高1.3×10⁻⁵ erg cm⁻²的5σ通量极限。

ABSTRACT

The Pierre Auger Observatory, with an array of currently more than 1200 Cherenkov detectors filled with 12 m$^3$ of water, can detect the putative high energy emission of a GRB (photons down to a few hundreds of MeV) by the so-called ``single particle technique'', through a coherent increase in the average background particle rates over the whole array, due to secondary particles in the photon-induced showers. We present a search for bursts on data collected since September 2005, as well as a search for excesses in coincidence with bursts observed by satellites.

研究动机与目标

• 通过皮埃尔·让天文台的水切伦科夫探测器，利用单粒子技术探测高能伽马射线暴（GRBs）。
• 通过排除故障探测器、雷暴事件和不稳定站的数据，提升数据质量。
• 利用地面数据，为1–1000 GeV能量范围内的GRBs设定严格的通量极限。
• 验证利用大规模水切伦科夫阵列探测高能GRB的可行性。

提出的方法

• 单粒子技术通过识别所有探测器中由于高能光子簇射产生的次级粒子导致的标尺计数率一致增加来探测GRBs。
• 标尺记录探测器中沉积能量超过15–100 MeV的粒子率，采用3–20 ADC阈值以优化信噪比。
• 数据清洗通过排除速率极端的前5%探测器，并剔除计数率低于500 Hz的站来实现。
• 采用σ–δ方法计算随时间变化的基线平均率R，其中σ=0且δ=0.1 Hz，以追踪长期变化并检测偏差Δ。
• 从主数据流中识别雷暴事件，并对每个事件前后2小时的时间段进行拒收，以减少误报。
• 通过检验统计量Δ = |r − R| / √(r/N) 评估爆发显著性，其中r为每秒的中位率，N为有效探测器数量。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否利用皮埃尔·让天文台的水切伦科夫探测器，通过单粒子技术探测高能GRBs？
• RQ2 为抑制探测器噪声和雷暴引起的误报，需要何种程度的数据清洗？
• RQ3 利用地面阵列在1–1000 GeV能量范围内可实现多高的通量灵敏度？
• RQ4 阵列运行时间和探测器稳定性变化如何影响GRB信号的探测阈值？

主要发现

• 数据清洗后，79%的数据（2005年9月21日至2007年4月30日）可用于GRB分析。
• 仅观察到一次显著的速率偏差，但其在阵列中分布不均匀，因此归因于人为源。
• 在36次卫星触发GRB的100秒内，未发现与之相关的多余事例。
• 在1–1000 GeV能量范围内，GRBs的5σ通量极限最高达1.3×10⁻⁵ erg cm⁻²，具体取决于爆发的天顶角和持续时间。
• 研究证实，地面上1 m⁻²s⁻¹的通量在当前阵列配置下可被探测到。
• 结果表明，需要更大、更高海拔的阵列才能达到探测典型GRB通量所需的灵敏度。