[论文解读] The HAWC Gamma-Ray Observatory: Observations of Cosmic Rays

HAWC Collaboration, Abeysekara, A. U.+100 more|arXiv (Cornell University)|Sep 30, 2013

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 1被引用 4

一句话总结

本文展示了在墨西哥海拔4100米处的HAWC-30工程阵列对宇宙射线的早期观测结果，证实了月影的探测、在10⁻³量级的大型与小型宇宙射线各向异性的存在，以及2012年3月的福比斯下降现象。利用30个水契忍可夫探测器的数据，HAWC实现了对TeV宇宙射线的高占空比监测，通过月影实现精确的角分辨率与指向校准，同时探测到瞬态太阳事件，并利用中子监测仪验证了气压修正后的计数率。

ABSTRACT

We describe measurements of GeV and TeV cosmic rays with the High-Altitude Water Cherenkov Gamma-Ray Observatory, or HAWC. The measurements include the observation of the shadow of the moon; the observation of small-scale and large-scale angular clustering of the TeV cosmic rays; the prospects for measurement of transient solar events with HAWC; and the observation of Forbush decreases with the HAWC engineering array and HAWC-30.

研究动机与目标

• 通过宇宙射线月影，表征HAWC-30工程阵列的角分辨率与指向精度。
• 研究TeV宇宙射线到达方向在大尺度（>60°）与小尺度（<20°）上的各向异性。
• 利用VAMOS工程阵列探测并分析瞬态太阳事件，包括2012年3月的福比斯下降。
• 利用VAMOS与中子监测仪数据，验证大气压强校正对宇宙射线计数率测量的有效性。
• 展示HAWC天文台在建设期间实现对宇宙射线连续、高统计量监测的能力。

提出的方法

• HAWC-30使用30个水契忍可夫探测器与光电倍增管（PMTs）探测宇宙射线引发空气簇射所产生的契忍可夫光。
• PMT的时间幅度（ToT）信号以100 ps分辨率进行数字化，用于重建簇射核心位置与入射角。
• 通过多重触发条件（在时间窗口T内N个PMT脉冲）启动簇射重建。
• 月影表现为宇宙射线通量图中的缺失区域，用于推断角分辨率与指向精度。
• 使用线性拟合对Scaler DAQ与Main DAQ系统的计数率进行气压修正：R_corr = R_uncorr - R_P + <R_uncorr>。
• 将VAMOS数据与墨西哥城及南极洲的中子监测仪数据进行比较，以验证福比斯下降的探测效果与气压修正的有效性。

实验结果

研究问题

• RQ1 从月影推断，HAWC-30阵列的角分辨率与指向精度是多少？
• RQ2 TeV宇宙射线到达方向在大尺度（>60°）与小尺度（<20°）上存在何种程度的各向异性？
• RQ3 HAWC工程阵列能否探测并表征如福比斯下降等瞬态太阳事件？
• RQ4 气压修正在稳定不同DAQ系统中宇宙射线计数率测量方面有多有效？
• RQ5 在福比斯下降期间，VAMOS计数率变化与中子监测仪数据的相关性如何？

主要发现

• 月影的半高全宽（FWHM）为1.8°，表明HAWC-30的角分辨率达到约1.8°。
• 在大尺度（>60°）与小尺度（<20°）上均探测到显著的宇宙射线到达方向各向异性，其水平达到10⁻³量级，与Milagro和Tibet/ARGO的先前观测结果一致。
• VAMOS阵列成功探测到2012年3月7日的福比斯下降，其计数率变化与墨西哥城及南极洲中子监测仪的观测结果一致。
• 气压修正显著降低了计数率波动，Scaler DAQ中26个PMT中有26个、Main DAQ中20个PMT中有20个在修正后误差低于7%。
• 福比斯下降期间的计数率下降受磁刚度截止影响，最低纬度站点（McMurdo，0.3 GV）观测到最大下降幅度。
• HAWC-30阵列实现了超过2 kHz的宇宙射线触发率，产生了当时有史以来最大的TeV宇宙射线数据集之一。