ARGO-YBJ实验中“双前峰面”事例探测GRBs的灵敏度研究

周勋秀，高兰兰，张 宇

（西南交通大学　物理科学与技术学院，四川　成都 610031）

ARGO-YBJ实验中“双前峰面”事例探测GRBs的灵敏度研究

周勋秀，高兰兰，张 宇

（西南交通大学物理科学与技术学院，四川成都 610031）

γ暴高能辐射的研究一直是天体物理和宇宙线物理的研究热点，但在100 GeV及以上能区至今尚未获得确定的观测结果。位于西藏羊八井宇宙线观测站（海拔4 300 m）的ARGO-YBJ实验具有高海拔、大视场等特点，其阈能约几百个GeV，在探测高能γ暴方面具有独特的优势。利用ARGO-YBJ实验中的“双前峰面”事例，可降低探测器的阈能达几十个 GeV，提高实验探测γ暴的灵敏度。作者研究了ARGO-YBJ实验中的“双前峰面”事例，并通过Monte Carlo模拟，估算出利用该类事例探测高能区（10—100 GeV）γ暴所需要的最低能流为10-4—10-3erg.cm-2。

“双前峰面”事例；γ暴；Monte Carlo模拟；ARGO-YBJ实验

0 引 言

γ暴（Gamma-Ray Burst，GRB）是一种在短时间内释放巨大能量的极端天体现象。自γ暴发现以来，对γ暴的研究一直是天文学界最关注的热点之一，卫星实验已观测到5 000多个GRBs（能量大多分布在15 keV—25 MeV之间），取得了丰富的观测资料。但有关 γ暴的一些基本问题仍存在激烈的争论，如γ暴的起源是什么？产生γ暴的辐射机制又是什么？

美国CGRO卫星搭载的BATSE实验在其工作期间（1991—2000年），共观测到2 704个已知方位的γ暴，其观测结果支持了GRBs的宇宙学起源模型；由意大利与荷兰合作研制、发射的BeppoSAX卫星观测到一部分γ暴的余辉和红移，确定了这部分γ暴起源于宇宙学距离；2004年升空的 Swift卫星为 γ暴的研究带来了新的突破，实现了对短暴余辉的测量［1］。CGRO卫星搭载的另一个实验 EGRET，探测能量高达30 GeV，观测到与3个 BATSEγ暴（GRB910503，GRB930131，GRB940217）在时间和方向上相符合的 GeV能区光子，最高能量达18 GeV［2］。2008年升空的GLAST（后又命名为Ferm i）卫星，其探测能量高达 300GeV［3］。迄今（2015年11月30日），Fermi卫星共观测到13个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，来自GRB130427A中的光子能量高达95 GeV［5，6］，这是卫星实验探测到的来自GRBs中能量最大的光子。

由于卫星实验受到空间条件的限制，观测能区大多在keV—MeV波段。而地面实验有着广阔的天球视场和较宽的工作能区，很适合探测高能γ暴。虽然地面实验发现有高能γ暴存在的迹象［7-10］，但迄今还没有确定地观测到能量在10 GeV—TeV及以上能区的 GRBs。ARGO-YBJ实验（阈能 ～300 GeV）与2004年开始运行的契仑可夫望远镜 MAGIC实验（阈能 ～25 GeV）相比，ARGO-YBJ在探测高能光子方面的灵敏度要低一些。本文选用“双前峰面”事例，可将 ARGO-YBJ探测光子的阈能降低到几十个GeV，从而提高该实验探测γ暴的灵敏度。

1 ARGO-YBJ实验中的“双前峰面”事例

由中国和意大利合作的ARGO-YBJ实验位于西藏羊八井镇，东经90.53°，北纬30.11°，海拔4 300 m，相应的大气深度为606 g/cm2。该实验采用RPC（Resistive Plate Counter）探测器覆盖成的“地毯”阵列，由中心区和监护环两部分组成，见图 1。中心区（74 m×78 m）由13×10个Cluster组成，每个Cluster包含12块RPC，每块RPC有10个PAD，每个 PAD上有8个读出条（Strip）。监护环由6×4个Cluster组成，它们不参与中心区的触发，主要用于芯内和芯外事例的判选。2007年底，整个阵列开始全面运行并采集数据。关于ARGO-YBJ实验更详细的描述见参考文献［11］。

图1　ARGO-YBJ探测器示意图

图2　“触发”事例的次级粒子在ARGO-YBJ阵列中的TDC时间分布

一个宇宙线原初粒子进入大气层后，通过强子级联簇射和电磁级联簇射过程产生大量的次级粒子，若这些次级带电粒子落入ARGO-YBJ阵列内，且满足触发条件（多重数 ≥20 hits）时，它们到达探测器的位置坐标和时间信息将被记录并储存起来，这种事例称为“触发”事例。对于一个簇射事例来说，次级粒子到达探测阵列的时间（TDC）分布比较集中，在触发时间窗口（2 134 ns）内会有一个峰值（见图2）。图3是“触发”事例在ARGO-YBJ中的“前峰面”图。

图3　“触发”事例的次级粒子在ARGO-YBJ阵列中的“前峰面”（（a）x坐标、（b）y坐标与TDC时间的关系）

我们知道，宇宙线是各向同性的，并且随机的到达地球表面，一个宇宙线原初粒子的次级粒子经过ARGO-YBJ探测器，满足触发条件时将被记录下来。当系统被触发后，在触发时间窗口内，另一个宇宙线粒子产生的次级粒子也可能击中探测器，这个事例可以不满足触发条件也将被系统记录下来，这种事例称为“双前峰面”事例，满足触发条件的大簇射事例即“触发”事例与“双前峰面”事例在触发时间窗口内形成两个峰值（见图4）。图5是一个“双前峰面”事例的“前峰面”分布图，可见，满足触发条件的“触发”事例与“双前峰面”事例形成两个前峰面。

图4　“双前峰面”事例的次级粒子在ARGO-YBJ阵列中的TDC时间分布

图5　“双前峰面”事例的次级粒子在ARGO-YBJ阵列中的“前峰面”（（a）x坐标、（b）y坐标与TDC时间的关系

为了重建的需要，本文对“双前峰面”事例的多重数选为≥5 hits。为提高事例重建的角分辨能力，本工作中采用了“活动时间窗口”法。首先对事例中各hit的时间进行排序，并以5 ns为时间步长，根据簇射事例中次级粒子的时间分布比较集中的特点，寻找hit数最高的50 ns窗口，也就是“触发”事例的TDC时间峰值处；然后在离这个窗口150 ns外，找第二个hit计数超过5的峰值窗口，如果存在就认为找到一个“双前峰面”事例。在ARGO-YBJ实验中“双前峰面”事例的事例率～150 Hz。

图6是重建后的“触发”事例和“双前峰面”事例的多重数（Npad）分布，“双前峰面”事例由于不需要满足触发条件，其多重数可比“触发”事例的小得多。

图6　“触发”事例（a）和“双前峰面”事例（b）的多重数分布

“双前峰面”事例与“触发”事例是不同时间内来自不同方向的两个事例，图7是“触发”事例与“双前峰面”事例的角距离的分布。

图7　“双前峰面”事例与“触发”事例的角距离分布

图8　不同天顶角时光子的原初能量与多重数的关系

2 “双前峰面”事例探测高能GRBs的灵敏度研究

由于“双前峰面”事例不需要满足触发条件，可降低ARGO-YBJ的探测阈能，提高实验的灵敏度。作者利用国际通用的 CORSIKA（COsmic Ray SImulations for KAscade）软件包［12］（版本为7.3700）来模拟原初宇宙线粒子在大气层中的簇射过程，高能强相互作用模型为QGSJETII-04，低能相互作用模型为GHEISHA。图8为原初光子在不同天顶角（θ）时，通过广延大气簇射到达羊八井观测站的多重数与原初能量的关系。可见，当多重数 ≥5 hits，天顶角取0°时，光子的原初能量～12 GeV；天顶角取30°时，光子的原初能量～22 GeV。

本工作利用基于GEANT4的G4argo软件包，模拟了ARGO-YBJ探测器的响应，次级粒子的投点范围在以ARGO-YBJ阵列为中心的200 m ×200 m内。当光子的原初能量为20 GeV时，ARGO-YBJ实验的探测效率与天顶角的关系见图9。可见，多重数≥5 hits的探测效率是多重数≥20 hits的8—10倍。

图9　“双前峰面”事例和“触发”事例的探测效率与天顶角的关系

图10　“双前峰面”事例和“触发”事例探测GRBs的灵敏度（以显著性5σ作为γ暴的发现标准）

若 ARGO-YBJ实验巧遇到光子能量大于10 GeV、天顶角（入射方向）为10°、持续时间为0.1 s的GRBs，我们可估算出“双前峰面”事例和“触发”事例探测该类GRBs所需要的最低能流（本文以显著性5σ作为γ暴的发现标准）与截断能量（Ecut）的关系，见图10。

从图10可知，截断能量在10—100 GeV范围内、GRBs的持续时间为0.1 s时，对“双前峰面”事例来说，所需要的最低能流为10-4—10-3erg.cm-2。当截断能量小于25 GeV时，“双前峰面”事例探测GRBs所需要的最低能流比“触发”事例的小，即在该能区内，“双前峰面”事例探测GRBs的灵敏度比“触发”事例的高。随着原初能量的升高，ARGO-YBJ实验探测“触发”事例的效率增加，“双前峰面”事例的优势不明显，在截断能量大于25 GeV时，利用“触发”事例探测GRBs的灵敏度就比“双前峰面”事例的要高。若联合“触发”事例和“双前峰面”事例来寻找高能GRBs，可进一步提高ARGO-YBJ实验的灵敏度。

分析Ferm i卫星探测到GRBs的能流，发现有一部分GRB的能谱若能延伸到ARGO-YBJ实验能区的话，其能流可在10-4—10-3erg.cm-2范围内。ARGO-YBJ实验（联合分析“双前峰面”事例和“触发”事例）对这些GRBs将具有一定的灵敏度。

3 结 论

作者对ARGO-YBJ实验中的“双前峰面”事例进行了重建，并研究了该类事例的特征。由于“双前峰面”事例不需要满足触发条件，可降低ARGO-YBJ实验的阈能到几十个GeV。利用 CORSIKA软件包和 G4arg0软件包模拟研究了“双前峰面”事例探测高能GRBs的灵敏度，截断能量在10—100 GeV范围内时，所需要的最低能流为10-4—10-3erg.cm-2。在低能区（＜25 GeV），“双前峰面”事例的灵敏度比“触发”事例的高；在高能区，由于“触发”事例的探测效率随着原初能量的增加而增加，其灵敏度将高于“双前峰面”事例的灵敏度。在未来的实验数据处理中，可联合两类事例寻找GRBs，将进一步提高ARGO-YBJ实验的灵敏度。

致谢：衷心感谢ARGO-YBJ实验合作组所有成员的辛勤劳动，感谢国家自然科学基金（批准号：11475141）和中央高校基本科研业务费专项资金（批准号：2682014CX091）的经费支持。

［1］周勋秀.利用ARGO实验的“双前峰面”事例和新升级的ASγ联合实验研究10GeV以上能区的γ射线暴［J］.学术动态，2014，（4）：19-21.

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［3］STEINLE H，BHAT N P，BRIGGSM S，et al.Measurements of gamma-ray bursts with GLAST［J］.Chinese Journal of Astron-omy and Astrophysics，2006，6：365-368.

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［12］SCHM IDT F.CORSIKA-an Air Shower Simulation Program［CP/OL］.（2015-11-20）［2015-02-01］.http：//www-ik.fzk.de/ corsika/.

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

国家自然科学基金项目（11475141）；中央高校基本科研业务费专项资金项目（2682014CX091）

周勋秀（1975—），重庆梁平人，博士，副教授，硕士研究生导师，主要从事宇宙线物理和天体物理的相关研究。

周勋秀，E-mail：zhouxx@swjtu.edu.cn