[论文解读] 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 7

一句话总结

本论文利用ARGO-YBJ广延空气簇射实验，对北天区（赤纬-10°至70°）进行了为期4年的TeV伽马射线巡天，该实验实现了高运行时序（>86%）和大视场（~2 sr）。巡天探测到了四个显著性>5σ的TeV源，包括17σ显著性的蟹状星云，且对所有天区方向建立了最严格的90%置信水平通量上限（0.09–0.53倍蟹状星云单位），在最佳赤纬处对类似蟹状星云的源，上限低至0.09倍蟹状星云单位。

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.

研究动机与目标

• 使用广延空气簇射阵列对北天区TeV能量段进行无偏倚、连续的巡天。
• 与以往实验相比，提高对非常高能（VHE）伽马射线源的灵敏度和天区覆盖范围。
• 对北天区未探测到的TeV点源建立严格的通量上限。
• 评估ARGO-YBJ在连续运行四年期间的累积灵敏度。

提出的方法

• ARGO-YBJ实验在西藏海拔4300米处使用5600 m²的电阻板室（RPC）阵列，探测来自TeV伽马射线的广延空气簇射。
• 对2006年7月至2011年2月期间收集的1.7 × 10¹¹个事例数据，采用右赤经与赤纬的0.1° × 0.1°网格进行分析。
• 应用直接积分法估算背景事例并提取每个天区网格的伽马射线超额。
• 利用蒙特卡罗模拟建模探测器响应、能量阈值及角分辨率，其结果随源的赤纬和谱指数而变化。
• 使用Helene方法计算90%置信水平的通量上限，已对能量依赖的接受度和源赤纬进行修正。
• 针对不同谱指数（-2.0、-2.6、-3.0）评估灵敏度，其中中位能量阈值根据源位置和谱型在0.36 TeV至4.5 TeV之间变化。

实验结果

研究问题

• RQ1 ARGO-YBJ对北天区（赤纬-10°至70°）点源型TeV伽马射线源的灵敏度如何？
• RQ2 在4年ARGO-YBJ数据中，哪些已知TeV源的显著性超过5σ？
• RQ3 对北天区未探测到的TeV点源，最严格的90%置信水平通量上限是多少？
• RQ4 ARGO-YBJ的能量阈值和有效灵敏度如何随源赤纬和谱指数变化？
• RQ5 ARGO-YBJ的通量上限与以往实验（如Milagro和Tibet ASγ）相比如何？

主要发现

• 蟹状星云以17倍标准差的显著性被探测到，表明其累积灵敏度为0.3倍蟹状星云单位。
• 共探测到四个显著性>5σ的TeV源：蟹状星云及另外三个源，包括MGRO J1908+06和MGRO J2031+41。
• 在0.1 TeV以上积分通量的90%置信水平上限范围为0.09至0.53倍蟹状星云单位，具体取决于赤纬，为迄今最严格的限制。
• 对于谱指数为-2.0的源，最佳上限为蟹状星云单位的3%（0.0296倍）；而对于软谱指数-3.0，上限为蟹状星云单位的20%。
• 上限对源谱型高度敏感，硬谱（如-2.0）的源灵敏度优于软谱（如-3.0）的源。
• ARGO-YBJ的上限低于Milagro对MGRO J2019+37报告的通量，提示可能存在通量变化或早期测量值的高估。