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;
– ……
Fermi Gamma-ray Space Telescope
• 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。
ASγ
H. E. S. S.
Milagro
耀类星体的时变现象
Mkn421: 2007 day 347 - 2008 day 229
• 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。
X-ray
by RXTE
ARGO(nhit>40)
ARGO(nhit>100)
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。
@ May 25, 2008
某channel掉高压时某些统计量异常
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.
逐级检查
Original data
Run level
1% cut off
Slice level: rate
1% cut off
Slice level: chi2_cn 2% cut off
Final data
Total: 3.1%
事例率随时间变化
• 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。
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, ~  /cosi;
– 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 = ini 
inioffRi ;
2+4

αi
1.5/*αi
1.5
(2+4)/*αi
Astroparticle Physics 33 (2010) 24-39
 =1.5 degree
• 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 = Nicenter(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；
Ri
(Ri1-Ri2)/Ri2
Mkn421的观测
• 数据： 2008163-165 ( mjd 54628-54630);
1.显著性值稳定;
• 事例选择条件:
2.与其它方法符合
– nhit_ca: >100;
时间交换法 ~ 4.2σ;
–天顶角: <40度；
直接积分法 ~ 4.2σ.
• Δδ：1.5 度;
• 用不同的数据用做标定，得到的显著性：
Data for calibrate
200805&200807
MKn421
4.25σ
200805-200807
4.26σ
200806
4.30σ
Sun
-4.66σ
-4.65σ
-4.64σ
显著性全天区图
2008163-165
Mkn421 (166.114, 38.209)
Sun (80.65,23.16)
显著性一维分布
2008163-165
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=1.0
Δδ=2.0
Δδ= 1.5
Δδ= 2.5
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=1.0
Δδ=2.0
Δδ= 1.5
Δδ= 2.5
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=1.0
Δδ= 1.5
2008163-165
Δδ=2.0
Δδ=2.5
Δδ=3.0
2008161-164
Sig: -4.2σ
Mkn421’s location at cells (1.5degree)
Check on different levels
Period level
Check on run levels
Cut the run while statistics are
abnormal.
Run level
3510
Slice level (minute)
Check on period levels
Cut the period with statistics
abnormal.
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.
After checking, slices with lower or higher rate are almost found.
Event rate with time
And, some other statistics
behave better.
Red: slices cut off; Green: slices reserved.
Check on slice levels
After cut, certain statistics
become normal simultaneously.
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;
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
100 1.0
Crab(83.63,2 Direct2.01)
integral
4.35
~4.97
100 1.5
4.15
Equi-zen
~4.6
Source numbers versus time in the X-ray, high-energy gammaray and VHE gamma-ray domains.