利用 ARGO-YBJ 实验对时变 现象的研究

陈垚，姚志国，查敏 代表 ARGO-YBJ 实验

2010 年 4 月 18 日

主要内容

•高能伽玛天文和时变现象；•ARGO 数据质量检查；•背景估计法介绍；•观测结果和讨论。

高能伽玛天文和时变现象• 高能伽玛天文是研究宇宙线的起源、加速和传播；• 研究对象 :

– 稳定高能伽玛源 ;– 高能伽玛源时变现象，如耀类星体 ;– GRB;– ……

• 伽玛天文的观测实验：⁻ 基于卫星探测器 ( Fermi );⁻ 成像大气契伦克夫望远镜 (H.E.S.S. );⁻ 广延大气簇射阵列；

• As-gamma, ARGO;• Milagro 。

Fermi Gamma-ray Space Telescope

H. E. S. S.

MilagroASγ

耀类星体的时变现象

Mkn421: 2007 day 347 - 2008 day 229

X-ray

ARGO(nhit>40)

ARGO(nhit>100)

by RXTE• 耀类星体的 TeVγ 射线发射是快速时变的，在爆发态时流强可达 10 倍Crab 量级。如： Mkn421, Mkn501, 1ES 1959+650, PKS2155-304, BL Lacetae 等；

• 由于契伦克夫技术的限制，例如有效观测时间所占比例小、视场小，成像大气契伦克夫望远镜在某一时刻只能观测一个候选目标 ;

• EAS Arrays （广延大气簇射阵列）有着长工作时间、宽视场的优点，使得连续的全天区扫描成为可能 ;

• ARGO-YBJ 属于后者，将能够对这类源的 γ 射线发射做很好的观测。

数据质量检查• 由于时变现象的特性，对数据质量要求较高，需要进行数据质量检查；• 原理：

– 数据质量低时，某些统计量将变异常 ;

– 由统计量的值来判定数据质量。一些用到的统计量：

– Event rate;

• Reconstructed events number / live time;

– Mean Chi-square value;

– Mean Nhits;

– Proportion of events with:• zenith in certain range;

• azimuth in certain range;

• Core in certain quadrant.

@ May 25, 2008某 channel 掉高压时某些统计量异常

• 约排除 3% 的事例 ;

• ARGO 运行日志里记载的导致数据质量降低的事件都被排除 ;

• 一些统计量的分布变得正常，见下图。1% cut off

Slice level: rate

Run level

Slice level: chi2_cn

Final data

Original data

1% cut off

2% cut off

Total: 3.1%

逐级检查

事例率随时间变化

方位角 0-PI 的事例所占比例

背景估计方法： Surrounding bins method• 将天区划分为许多矩形的

格子：– 各个格子接收度基本相

等， 为赤纬方向上长度， αi 为赤经方向上长度 , ~ /cosi;

– 格子大小 ~ 角分辨率 ~ 能段 ;

• 每一个格子都有一个对应的环绕的区域用于估计该格子的背景事例数：⁻ 能将事例率随时间变化带

来的影响最小化；⁻ 基本不受方位角不均匀性

影响。⁻ NB = ini ini

offRi ;Astroparticle Physics 33 (2010) 24-39

αi1.52+4

1.5/*αi

(2+4)/*αi

• 其中，格子和背景区域的接收度的比率 R 需要确定；

• 在当地赤道坐标系下， R 是位置的函数（如右上图），需要用一段较长时间的真实数据进行标定；⁻ Ri = Ni

center(T)/ Nioff(T);

⁻ Ri ~ 立体角比值 Rgeom;

⁻ R 相当地稳定（如右下图）：⁻ 由 2008170-366 数据和由

2009001-199 数据标定得到的两组 Ri 一致性好；

=1.5 degree

(Ri1-Ri2)/Ri2

Ri

Mkn421 的观测• 数据： 2008163-165 ( mjd 54628-54630);

• 事例选择条件 :

– nhit_ca: >100;

– 天顶角 : <40 度；• Δδ ： 1.5 度 ;

• 用不同的数据用做标定，得到的显著性：Data for calibrate MKn421 Sun

200805&200807 4.25σ -4.66σ

200805-200807 4.26σ -4.65σ

200806 4.30σ -4.64σ

1.显著性值稳定 ;

2.与其它方法符合 时间交换法 ~ 4.2σ;

直接积分法 ~ 4.2σ.

显著性全天区图

2008163-165

Mkn421 (166.114, 38.209)

Sun (80.65,23.16)

2008163-165

显著性一维分布

观测稳定源 Crab• 数据 : 2008170-

2008366 ；• 事例选择条件 :

– Nhit: >100;

– Core: 芯内 ;

–天顶角： <40 度 ;

– Δδ= 1.5 ；– 显著性： 4.15σ 。

总结与讨论• 用该分析方法观测到已知时变源 Mkn421 的

γ 射线发射；• 用该分析方法观测到月亮阴影缺失和稳定

源 Crab;

• 该方法将用于 ARGO-YBJ 对 Mkn421 的长期监测；

•并用于监测时变现象、找寻未知时变源。

谢谢！

稳定源 Crab 的观测• 数据 : 2008170-2008366 ；• 选择条件 :

– Nhit: >100;

– Core: 芯内 ;

–天顶角： <40 度 ;

– Δδ=1.0, 1.5, 2.0, 2.5 度 .

Crab's location at cells

Δδ= 2.5Δδ=2.0

Δδ= 1.5Δδ=1.0

Δδ=1.0 4.35

Δδ=1.5 4.15

Equi-zenith ~4.6

Direct-integral ~4.97

Note: 1. Cut dition is different;2. Significance is maximized for equi-zenith and direc-integral.

Discussion

• The method is applied to monitor mkr421;

• And search unknown flares.

Crab

• Data: 2008170-2008366 ；• Cut condition:

– Nhit: >100;

– Core: in the carpet;

– Event zenith: none;

– Cell’s zenith<40;

– Δδ=1.0, 1.5, 2.0, 2.5 .

Crab's location at cells

Δδ= 2.5Δδ=2.0

Δδ= 1.5Δδ=1.0

Δδ=1.0 4.35

Δδ=1.5 4.15

Equi-zenith ~4.6

Direct-integral ~4.97

Note: 1. Cut dition is different;2. Significance is maximized for equi-zenith and direc-integral.

Sun’s orbit from 2008153 to 2008182 (mjd54618-54647)

Δδ= 1.5Δδ=1.0

Δδ=2.0 Δδ=2.5

2008163-165

Δδ=3.0

2008161-164

Sig: -4.2σ

Mkn421’s location at cells (1.5degree)

Period level

Slice level (minute)

Run level

Check on different levels

Cut the run while statistics are abnormal.

3510

Check on period levels

The runs with the statistics events rate<3510 are cut;All the cut runs can find counterpart in LogBook;Data is from March to May, 2008.

Cut the period with statistics abnormal.

Check on run levels

Red: slices cut off; Green: slices reserved.

After checking, slices with lower or higher rate are almost found.Event rate with time

And, some other statistics behave better.

Check on slice levels

Cut the slice with statistics “chi2_cn” abnormal.

140

Cut the slices with mean chi2_cn >140;

Data from 200803- 200805.Upper-right: ratio of zenith >50 degree;Lower-left: ratio of azimuth (0-PI);Red: slices cut off; Green: slices reserved;

After cut, certain statistics become normal simultaneously.

ARGO-YBJ’ s mode: Scalar mode;

counting rates for each cluster ( >= 1, >=2, >=3, >=4 coincidences);

GRB and solar flares with a threshold of few GeV;

Shower mode;>=20 hits ~ 4khz;gamma-ray bursts;VHE γ-astronomy (threshold ~300 GeV) ;cosmic-ray physics (threshold ~1 TeV).

ARGO-YBJ 实验• ARGO 特点 :

– 高海拔 4300 m a. s. l.);– 全覆盖 RPC;– 低能阈（ 300GeV) ;– 大视场 ( > 2 sr);– 高 duty cycle ( 93%);

Δδ = 1.0 degree; nhit>100

• Crab: 4.87σ;

• Direct- 1.0 >100 08 年 6.8 1degree

>60 7.5 1.1 1.2degree

Time-swap 6.29

Δδ = 3.0 degree; nhit>60

• Crab: 4.86σ;

temp

Crab(83.63,22.01)

Direct-integral Equi-zen

100 1.0 4.35 ~4.97 ~4.6

100 1.5 4.15

Source numbers versus time in the X-ray, high-energy gamma-ray and VHE gamma-ray domains.