ARGO-YBJ實(shí)驗(yàn)中“雙前峰面”事例探測(cè)GRBs的靈敏度研究

周勛秀，高蘭蘭，張 宇

（西南交通大學(xué)　物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川　成都 610031）

ARGO-YBJ實(shí)驗(yàn)中“雙前峰面”事例探測(cè)GRBs的靈敏度研究

周勛秀，高蘭蘭，張 宇

（西南交通大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川成都 610031）

γ暴高能輻射的研究一直是天體物理和宇宙線物理的研究熱點(diǎn)，但在100 GeV及以上能區(qū)至今尚未獲得確定的觀測(cè)結(jié)果。位于西藏羊八井宇宙線觀測(cè)站（海拔4 300 m）的ARGO-YBJ實(shí)驗(yàn)具有高海拔、大視場(chǎng)等特點(diǎn)，其閾能約幾百個(gè)GeV，在探測(cè)高能γ暴方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。利用ARGO-YBJ實(shí)驗(yàn)中的“雙前峰面”事例，可降低探測(cè)器的閾能達(dá)幾十個(gè) GeV，提高實(shí)驗(yàn)探測(cè)γ暴的靈敏度。作者研究了ARGO-YBJ實(shí)驗(yàn)中的“雙前峰面”事例，并通過Monte Carlo模擬，估算出利用該類事例探測(cè)高能區(qū)（10—100 GeV）γ暴所需要的最低能流為10-4—10-3erg.cm-2。

“雙前峰面”事例；γ暴；Monte Carlo模擬；ARGO-YBJ實(shí)驗(yàn)

0 引 言

γ暴（Gamma-Ray Burst，GRB）是一種在短時(shí)間內(nèi)釋放巨大能量的極端天體現(xiàn)象。自γ暴發(fā)現(xiàn)以來，對(duì)γ暴的研究一直是天文學(xué)界最關(guān)注的熱點(diǎn)之一，衛(wèi)星實(shí)驗(yàn)已觀測(cè)到5 000多個(gè)GRBs（能量大多分布在15 keV—25 MeV之間），取得了豐富的觀測(cè)資料。但有關(guān) γ暴的一些基本問題仍存在激烈的爭(zhēng)論，如γ暴的起源是什么？產(chǎn)生γ暴的輻射機(jī)制又是什么？

美國CGRO衛(wèi)星搭載的BATSE實(shí)驗(yàn)在其工作期間（1991—2000年），共觀測(cè)到2 704個(gè)已知方位的γ暴，其觀測(cè)結(jié)果支持了GRBs的宇宙學(xué)起源模型；由意大利與荷蘭合作研制、發(fā)射的BeppoSAX衛(wèi)星觀測(cè)到一部分γ暴的余輝和紅移，確定了這部分γ暴起源于宇宙學(xué)距離；2004年升空的 Swift衛(wèi)星為 γ暴的研究帶來了新的突破，實(shí)現(xiàn)了對(duì)短暴余輝的測(cè)量［1］。CGRO衛(wèi)星搭載的另一個(gè)實(shí)驗(yàn) EGRET，探測(cè)能量高達(dá)30 GeV，觀測(cè)到與3個(gè) BATSEγ暴（GRB910503，GRB930131，GRB940217）在時(shí)間和方向上相符合的 GeV能區(qū)光子，最高能量達(dá)18 GeV［2］。2008年升空的GLAST（后又命名為Ferm i）衛(wèi)星，其探測(cè)能量高達(dá) 300GeV［3］。迄今（2015年11月30日），F(xiàn)ermi衛(wèi)星共觀測(cè)到13個(gè)γ暴的光子能量大于 10 GeV（GRB940217、GRB080916C、GRB090510、GRB090902B、GRB090926A、GRB130427A、GRB130502B、GRB130907A、GRB131018B、GRB140619B、GRB140810A、GRB140928A、GRB141222A）［4］，其中，來自GRB130427A中的光子能量高達(dá)95 GeV［5，6］，這是衛(wèi)星實(shí)驗(yàn)探測(cè)到的來自GRBs中能量最大的光子。

由于衛(wèi)星實(shí)驗(yàn)受到空間條件的限制，觀測(cè)能區(qū)大多在keV—MeV波段。而地面實(shí)驗(yàn)有著廣闊的天球視場(chǎng)和較寬的工作能區(qū)，很適合探測(cè)高能γ暴。雖然地面實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)有高能γ暴存在的跡象［7-10］，但迄今還沒有確定地觀測(cè)到能量在10 GeV—TeV及以上能區(qū)的 GRBs。ARGO-YBJ實(shí)驗(yàn)（閾能 ～300 GeV）與2004年開始運(yùn)行的契侖可夫望遠(yuǎn)鏡 MAGIC實(shí)驗(yàn)（閾能 ～25 GeV）相比，ARGO-YBJ在探測(cè)高能光子方面的靈敏度要低一些。本文選用“雙前峰面”事例，可將 ARGO-YBJ探測(cè)光子的閾能降低到幾十個(gè)GeV，從而提高該實(shí)驗(yàn)探測(cè)γ暴的靈敏度。

1 ARGO-YBJ實(shí)驗(yàn)中的“雙前峰面”事例

由中國和意大利合作的ARGO-YBJ實(shí)驗(yàn)位于西藏羊八井鎮(zhèn)，東經(jīng)90.53°，北緯30.11°，海拔4 300 m，相應(yīng)的大氣深度為606 g/cm2。該實(shí)驗(yàn)采用RPC（Resistive Plate Counter）探測(cè)器覆蓋成的“地毯”陣列，由中心區(qū)和監(jiān)護(hù)環(huán)兩部分組成，見圖 1。中心區(qū)（74 m×78 m）由13×10個(gè)Cluster組成，每個(gè)Cluster包含12塊RPC，每塊RPC有10個(gè)PAD，每個(gè) PAD上有8個(gè)讀出條（Strip）。監(jiān)護(hù)環(huán)由6×4個(gè)Cluster組成，它們不參與中心區(qū)的觸發(fā)，主要用于芯內(nèi)和芯外事例的判選。2007年底，整個(gè)陣列開始全面運(yùn)行并采集數(shù)據(jù)。關(guān)于ARGO-YBJ實(shí)驗(yàn)更詳細(xì)的描述見參考文獻(xiàn)［11］。

圖1　ARGO-YBJ探測(cè)器示意圖

圖2　“觸發(fā)”事例的次級(jí)粒子在ARGO-YBJ陣列中的TDC時(shí)間分布

一個(gè)宇宙線原初粒子進(jìn)入大氣層后，通過強(qiáng)子級(jí)聯(lián)簇射和電磁級(jí)聯(lián)簇射過程產(chǎn)生大量的次級(jí)粒子，若這些次級(jí)帶電粒子落入ARGO-YBJ陣列內(nèi)，且滿足觸發(fā)條件（多重?cái)?shù) ≥20 hits）時(shí)，它們到達(dá)探測(cè)器的位置坐標(biāo)和時(shí)間信息將被記錄并儲(chǔ)存起來，這種事例稱為“觸發(fā)”事例。對(duì)于一個(gè)簇射事例來說，次級(jí)粒子到達(dá)探測(cè)陣列的時(shí)間（TDC）分布比較集中，在觸發(fā)時(shí)間窗口（2 134 ns）內(nèi)會(huì)有一個(gè)峰值（見圖2）。圖3是“觸發(fā)”事例在ARGO-YBJ中的“前峰面”圖。

圖3　“觸發(fā)”事例的次級(jí)粒子在ARGO-YBJ陣列中的“前峰面”（（a）x坐標(biāo)、（b）y坐標(biāo)與TDC時(shí)間的關(guān)系）

我們知道，宇宙線是各向同性的，并且隨機(jī)的到達(dá)地球表面，一個(gè)宇宙線原初粒子的次級(jí)粒子經(jīng)過ARGO-YBJ探測(cè)器，滿足觸發(fā)條件時(shí)將被記錄下來。當(dāng)系統(tǒng)被觸發(fā)后，在觸發(fā)時(shí)間窗口內(nèi)，另一個(gè)宇宙線粒子產(chǎn)生的次級(jí)粒子也可能擊中探測(cè)器，這個(gè)事例可以不滿足觸發(fā)條件也將被系統(tǒng)記錄下來，這種事例稱為“雙前峰面”事例，滿足觸發(fā)條件的大簇射事例即“觸發(fā)”事例與“雙前峰面”事例在觸發(fā)時(shí)間窗口內(nèi)形成兩個(gè)峰值（見圖4）。圖5是一個(gè)“雙前峰面”事例的“前峰面”分布圖，可見，滿足觸發(fā)條件的“觸發(fā)”事例與“雙前峰面”事例形成兩個(gè)前峰面。

圖4　“雙前峰面”事例的次級(jí)粒子在ARGO-YBJ陣列中的TDC時(shí)間分布

圖5　“雙前峰面”事例的次級(jí)粒子在ARGO-YBJ陣列中的“前峰面”（（a）x坐標(biāo)、（b）y坐標(biāo)與TDC時(shí)間的關(guān)系

為了重建的需要，本文對(duì)“雙前峰面”事例的多重?cái)?shù)選為≥5 hits。為提高事例重建的角分辨能力，本工作中采用了“活動(dòng)時(shí)間窗口”法。首先對(duì)事例中各hit的時(shí)間進(jìn)行排序，并以5 ns為時(shí)間步長，根據(jù)簇射事例中次級(jí)粒子的時(shí)間分布比較集中的特點(diǎn)，尋找hit數(shù)最高的50 ns窗口，也就是“觸發(fā)”事例的TDC時(shí)間峰值處；然后在離這個(gè)窗口150 ns外，找第二個(gè)hit計(jì)數(shù)超過5的峰值窗口，如果存在就認(rèn)為找到一個(gè)“雙前峰面”事例。在ARGO-YBJ實(shí)驗(yàn)中“雙前峰面”事例的事例率～150 Hz。

圖6是重建后的“觸發(fā)”事例和“雙前峰面”事例的多重?cái)?shù)（Npad）分布，“雙前峰面”事例由于不需要滿足觸發(fā)條件，其多重?cái)?shù)可比“觸發(fā)”事例的小得多。

圖6　“觸發(fā)”事例（a）和“雙前峰面”事例（b）的多重?cái)?shù)分布

“雙前峰面”事例與“觸發(fā)”事例是不同時(shí)間內(nèi)來自不同方向的兩個(gè)事例，圖7是“觸發(fā)”事例與“雙前峰面”事例的角距離的分布。

圖7　“雙前峰面”事例與“觸發(fā)”事例的角距離分布

圖8　不同天頂角時(shí)光子的原初能量與多重?cái)?shù)的關(guān)系

2 “雙前峰面”事例探測(cè)高能GRBs的靈敏度研究

由于“雙前峰面”事例不需要滿足觸發(fā)條件，可降低ARGO-YBJ的探測(cè)閾能，提高實(shí)驗(yàn)的靈敏度。作者利用國際通用的 CORSIKA（COsmic Ray SImulations for KAscade）軟件包［12］（版本為7.3700）來模擬原初宇宙線粒子在大氣層中的簇射過程，高能強(qiáng)相互作用模型為QGSJETII-04，低能相互作用模型為GHEISHA。圖8為原初光子在不同天頂角（θ）時(shí)，通過廣延大氣簇射到達(dá)羊八井觀測(cè)站的多重?cái)?shù)與原初能量的關(guān)系?？梢姡?dāng)多重?cái)?shù) ≥5 hits，天頂角取0°時(shí)，光子的原初能量～12 GeV；天頂角取30°時(shí)，光子的原初能量～22 GeV。

本工作利用基于GEANT4的G4argo軟件包，模擬了ARGO-YBJ探測(cè)器的響應(yīng)，次級(jí)粒子的投點(diǎn)范圍在以ARGO-YBJ陣列為中心的200 m ×200 m內(nèi)。當(dāng)光子的原初能量為20 GeV時(shí)，ARGO-YBJ實(shí)驗(yàn)的探測(cè)效率與天頂角的關(guān)系見圖9?？梢?，多重?cái)?shù)≥5 hits的探測(cè)效率是多重?cái)?shù)≥20 hits的8—10倍。

圖9　“雙前峰面”事例和“觸發(fā)”事例的探測(cè)效率與天頂角的關(guān)系

圖10　“雙前峰面”事例和“觸發(fā)”事例探測(cè)GRBs的靈敏度（以顯著性5σ作為γ暴的發(fā)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)）

若 ARGO-YBJ實(shí)驗(yàn)巧遇到光子能量大于10 GeV、天頂角（入射方向）為10°、持續(xù)時(shí)間為0.1 s的GRBs，我們可估算出“雙前峰面”事例和“觸發(fā)”事例探測(cè)該類GRBs所需要的最低能流（本文以顯著性5σ作為γ暴的發(fā)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)）與截?cái)嗄芰浚‥cut）的關(guān)系，見圖10。

從圖10可知，截?cái)嗄芰吭?0—100 GeV范圍內(nèi)、GRBs的持續(xù)時(shí)間為0.1 s時(shí)，對(duì)“雙前峰面”事例來說，所需要的最低能流為10-4—10-3erg.cm-2。當(dāng)截?cái)嗄芰啃∮?5 GeV時(shí)，“雙前峰面”事例探測(cè)GRBs所需要的最低能流比“觸發(fā)”事例的小，即在該能區(qū)內(nèi)，“雙前峰面”事例探測(cè)GRBs的靈敏度比“觸發(fā)”事例的高。隨著原初能量的升高，ARGO-YBJ實(shí)驗(yàn)探測(cè)“觸發(fā)”事例的效率增加，“雙前峰面”事例的優(yōu)勢(shì)不明顯，在截?cái)嗄芰看笥?5 GeV時(shí)，利用“觸發(fā)”事例探測(cè)GRBs的靈敏度就比“雙前峰面”事例的要高。若聯(lián)合“觸發(fā)”事例和“雙前峰面”事例來尋找高能GRBs，可進(jìn)一步提高ARGO-YBJ實(shí)驗(yàn)的靈敏度。

分析Ferm i衛(wèi)星探測(cè)到GRBs的能流，發(fā)現(xiàn)有一部分GRB的能譜若能延伸到ARGO-YBJ實(shí)驗(yàn)?zāi)軈^(qū)的話，其能流可在10-4—10-3erg.cm-2范圍內(nèi)。ARGO-YBJ實(shí)驗(yàn)（聯(lián)合分析“雙前峰面”事例和“觸發(fā)”事例）對(duì)這些GRBs將具有一定的靈敏度。

3 結(jié) 論

作者對(duì)ARGO-YBJ實(shí)驗(yàn)中的“雙前峰面”事例進(jìn)行了重建，并研究了該類事例的特征。由于“雙前峰面”事例不需要滿足觸發(fā)條件，可降低ARGO-YBJ實(shí)驗(yàn)的閾能到幾十個(gè)GeV。利用 CORSIKA軟件包和 G4arg0軟件包模擬研究了“雙前峰面”事例探測(cè)高能GRBs的靈敏度，截?cái)嗄芰吭?0—100 GeV范圍內(nèi)時(shí)，所需要的最低能流為10-4—10-3erg.cm-2。在低能區(qū)（＜25 GeV），“雙前峰面”事例的靈敏度比“觸發(fā)”事例的高；在高能區(qū)，由于“觸發(fā)”事例的探測(cè)效率隨著原初能量的增加而增加，其靈敏度將高于“雙前峰面”事例的靈敏度。在未來的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理中，可聯(lián)合兩類事例尋找GRBs，將進(jìn)一步提高ARGO-YBJ實(shí)驗(yàn)的靈敏度。

致謝：衷心感謝ARGO-YBJ實(shí)驗(yàn)合作組所有成員的辛勤勞動(dòng)，感謝國家自然科學(xué)基金（批準(zhǔn)號(hào)：11475141）和中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金（批準(zhǔn)號(hào)：2682014CX091）的經(jīng)費(fèi)支持。

［1］周勛秀.利用ARGO實(shí)驗(yàn)的“雙前峰面”事例和新升級(jí)的ASγ聯(lián)合實(shí)驗(yàn)研究10GeV以上能區(qū)的γ射線暴［J］.學(xué)術(shù)動(dòng)態(tài)，2014，（4）：19-21.

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［7］周勛秀，胡紅波，黃 慶.用羊八井ASγ實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)尋找TeV能區(qū)的γ射線暴［J］.物理學(xué)報(bào)，2009，58（8）：5879-5885.

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The Sensitivity of GRBs w ith Double Front Shower Events in an ARGO-YBJ Experiment

ZHOU Xunxiu，GAO Lanlan，ZHANG Yu
（School of Physical Science and Technology，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China）

Gamma-ray bursts（GRB）are an extreme astronomical phenomenon with a violent energy release in a short period of time，remaining a research focus in astrophysics and cosmic rays.But no significant E＞100 GeV GRBs have been detected up to now.ARGO-YBJ，located at the YangBaJing Cosmic Ray Observatory（4300 m a. s.l.，Tibet，China），is a full coverage air shower array.Owing to the unique advantage of a high altitude and a broad view，ARGO-YBJ is particularly useful in searching for high energy GRBs.Using double front shower events from ARGO-YBJ，well under the trigger threshold，the detector primary energy threshold can be lowered to a few tens of GeV，while improving the sensitivity in detecting GRBs.In this paper，the characters of double front shower events were studied，and the sensitivity in detecting GRBs by using these events was also studied by running Monte Carlo simulation.

double front shower events；GRBs；monte carlo simulation；ARGO-YBJ

O572.1

A

10.16246/j.issn.1673-5072.2016.01.014

1673-5072（2016）01-0095-06

2016-01-15

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（11475141）；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目（2682014CX091）

周勛秀（1975—），重慶梁平人，博士，副教授，碩士研究生導(dǎo)師，主要從事宇宙線物理和天體物理的相關(guān)研究。

周勛秀，E-mail：zhouxx@swjtu.edu.cn