Search for ultra-high energy photons through preshower effect with gamma-ray telescopes

Abstract

Podczas propagacji fotonów ultra-wysokich energii (w zakresie EeV i wyższej), z ich źródeł do Ziemi, mogą zachodzić procesy prowadzące do osłabienia ich pierwotnego strumienia. W tym zakresie energii występuje bowiem zjawisko produkcji pary e+/e- jako rezultat oddziaływania fotonu z polem geomag- netycznym, w rezultacie powstaje kaskada cząstek elektromagnetycznych tzw. kaskada wstępna (preshower). Taka kaskada wstępna może inicjować w atmosferze Ziemi tzw. wielki pęk atmosferyczny. Teleskopy promieniowania gamma, taki jak np. teleskop gamma nowej generacji tzw. Cherenkov Telescope Array (CTA), mogą wykryć te pęki dzięki rejestracji promieniowania cherenkowskiego, które pęki emitują. Korzystając z metod Monte-Carlo zbadano możliwość wykrycia tego typu zjawiska dla poziomych pęków rejestrowanych w przyszłej lokalizacji obserwatorium CTA (La Palma). Wykorzystując metody analizy wielowymiarowej (tzw. multivariate analysis) zbadano wydajność detekcji takich zdarzeń, dla kaskady wstępnej inicjowanej przez foton o energii 40 EeV, uwzględniając w obliczeniach dominujące tło promieni kosmicznych w zakresie energii od 10 TeV - 10 EeV. Wyznaczono, tzw. powierzchnię efektywną dla tego typu zdarzeń i wyliczono spodziewaną liczbą przypadków dla różnych modeli produkcji ultra-wysokich fotonów. Oczekiwana liczba przypadków kaskad wstępnych, dla modeli opisujących rozproszoną produkcje fotonów ultra-wysokich energii, oszacowano na około 3.310-5 zdarzeń, dla 30 godzin obserwacji i uwzględniając górne ograniczenie na strumień fotonów uzyskane przez Obserwatorium Pierre Auger, w przypadku modeli opisujących produkcję fotonów w źródłach oczekiwana liczba zdarzeń wynosi 2.710-4 (5.710-5) biorąc pod uwagę górne ograniczenia na liczbę fotonów uzyskane przez Obserwatorium Pierre Auger i Telescope Array. Jednakże, strumień fotonów ultra-wysokich energii może ulec "zwielokrotnieniu” w przypadku gwałtownych eksplozji promieniowania gamma w źródłach. W takim przypadku liczba spodziewanych zdarzeń ulega zwiększeniu do wartości 0.17, co odpowiada minimalnemu strumieniowy około 0.2 km-2yr-1 aby uzyskać jedno zdarzenie od kaskady wstępnej, wartość ta jest 10-nie krotnie wyższa niż górne ograniczenia uzyskane przez Obserwatorium Pierre Auger i Telescope Array, które odpowiednio wynoszą 0.034 i 0.019 km-2yr-1.

As ultra-high energy photons (EeV and beyond) propagate from their sources of production to Earth, radiation-matter interactions can occur, leading to an effective screening of the incident flux. In this energy domain, photons can undergo e+/e- pair production when interacting with the surrounding geomagnetic field, which in turn can produce a cascade of electromagnetic particles called preshower. Such a cascade can initiate air showers in the Earth's atmosphere. Gamma-ray telescopes, such as the next-generation gamma-ray observatory Cherenkov Telescope Array, can detect these showers thanks to the Cherenkov radiation they emit. The feasibility of detecting such phenomena using Monte-Carlo simulations of nearly-horizontal air showers is studied, considering the example of the La Palma site of the Cherenkov Telescope Array. The efficiency of a multivariate analysis in correctly identifying preshower events initiated by 40 EeV photons and cosmic-ray dominated background simulated in the energy range 10 TeV - 10 EeV, is investigated. The effective areas for such events are also calculated and event rate predictions related to different ultra-high energy photons production models are presented. The expected number of preshowers from diffuse emission of ultra-high energy photon for 30 hours of observation is estimated around 3.310-5, based on the upper limits put by the Pierre Auger Observatory, and is at the level of 2.710-4 (5.710-5) when considering the upper limits of the Pierre Auger Observatory (Telescope Array) on ultra-high energy photon point sources. However, ultra-high energy photon emission may undergo possible "boosting" due to gamma-ray burst, increasing the expected number of preshower events up to 0.17, and yielding a minimum required flux of ~ 0.2 km-2yr-1 to obtain one preshower event, which is about a factor 10 higher than upper limits put by the Pierre Auger Observatory and Telescope Array (0.034 and 0.019 km-2yr-1, respectively).