Sensitivity of the Cherenkov Telescope Array to spectral signatures of hadronic PeVatrons with application to Galactic Supernova Remnants

Acero, F.; Servillat, M.; Chernyakova, M.; Martínez, G.; Peresano, M.; Orlandini, M.; Horvath, P.; Luque-Escamilla, P. L.; van Eldik, C.; Riitano, L.; Tam, P.-H. T.; Djuvsland, J. I.; Schussler, F.; Shang, R.-Y.; Hnatyk, R.; Arcaro, C.; Cristofari, P.; de Ona Wilhelmi, E.; Dolcetta, R. A. Capuzzo; Bastieri, D.; Macias, O.; Jurysek, J.; Sailer, S.; Hinton, J.; Viana, A.; Gueta, O.; de Souza, V.; Hoffmann, D.; Richtler, T.; Chiavassa, A.; Manganaro, M.; Armstrong, T.; Kieda, D. B.; Gammaldi, V.; Vuillaume, T.; D'Ammando, F.; Fedorova, E.; Hrupec, D.; Nishijima, K.; Katz, U.; Galaz, G.; Nikolajuk, M.; Fegan, S.; Molina, E.; Bucciantini, N.; Alfaro, J.; Ambrosi, G.; Okumura, A.; Liodakis, I.; Reimer, A.; Lohse, T.; Vallage, B.; Sarkar, S.; Bissaldi, E.; Morselli, A.; Fioretti, V.; Loporchio, S.; Chen, A.; Nieto, D.; Nievas Rosillo, M.; Tothill, N.; Murach, T.; Incardona, F.; Falceta-Goncalves, D.; De Caprio, V.; Hernández-Cadena, S.; Aloisio, R.; Crocker, R.; Torres, D. F.; Baktash, A.; Martinez, O.; Jamrozy, M.; Orienti, M.; Mello, A. J. T. S.; Rico, J.; Mitchell, A.; Inada, T.; Foffano, L.; Ohtani, Y.; Specovius, A.; Pérez-Romero, J.; Cerruti, M.; Menchiari, S.; Walter, R.; Mohrmann, L.; Nozaki, S.; Renaud, M.; Stanič, S.; Lemoine-Goumard, M.; Rowell, G.; Cascone, E.; Chudoba, J.; White, M.; Saha, L.; López-Oramas, A.; Bhattacharjee, P.; Gasbarra, C.; Amato, E.; Romano, P.; Petruk, O.; Pumo, M. L.; Pantaleo, F. R.; Pereira, L. A. Stuani; Reichherzer, P.; Horan, D.; Patricelli, B.; Evoli, C.; Miceli, M.; Hofmann, W.; Rando, R.; Vitale, V.; Giuliani, A.; Giglietto, N.; Wagner, S. J.; Satalecka, K.; La Palombara, N.; della Volpe, D.; Williams, D.; Rudak, B.; Cherenkov Telescope Array Collaboration; Godinovic, N.; Kornecki, P.; Yoshida, T.; Brose, R.; Miceli, D.; Mode, B.; Paredes, J. M.; Agudo, I.; Bernardos-Martín, M. I.; Gréaux, L.; Majumdar, P.; Olmi, B.; Lapington, J.; Zampieri, L.; Z̆ivec, M.; Leone, F.; Ohishi, M.; Sergijenko, O.; Tian, W.; Ponti, G.; Mackey, J.; Saturni, F. G.; Casanova, S.; Tibaldo, L.; Niemiec, J.; Ostrowski, M.; Ong, R. A.; Green, D.; Bottacini, E.; Manicò, G.; Nagataki, S.; Tanaka, S. J.; Kleiner, T.; Bertucci, B.; Kerszberg, D.; Dwarkadas, V. V.; Reposeur, T.; Wierzcholska, A.; Vecchi, M.; Sol, H.; Catalani, F.; Ribó, M.; Scherer, A.; Pohl, Martin; Stolarczyk, T.; Yoshikoshi, T.; Pietropaolo, E.; Alves Batista, R.; Martínez, I. Jiménez; Gunji, S.; Moulin, E.; Costa, A.; Chaty, S.; Cassol, F.; Carosi, R.; Siejkowski, H.; Spengler, G.; Priyadarshi, C.; Acharyya, A.; Miener, T.; Spencer, S. T.; Fiori, M.; Einecke, S.; Depaoli, D.; Pittori, C.; Grondin, M.-H.; Vorobiov, S.; Safi-Harb, S.; Hnatyk, B.; Ghirlanda, G.; Inoue, S.; D'Amico, G.; Backes, M.; Baxter, J. R.; Galanti, G.; Crespo, N. Álvarez; Berti, A.; Vercellone, S.; Meyer, D. M.-A.; Persic, M.; Coelho, J. Goulart; Becker Tjus, J.; Asano, K.; Vodeb, V.; Lindfors, E.; Di Tria, R.; Kluzniak, W.; Kohri, K.; Balazs, C.; Benbow, W.; De Angelis, A.; Testa, V.; Longo, F.; Aschersleben, J.; Ishio, K.; Morlino, G.; Hrabovsky, M.; Ferrand, G.; Noda, K.; Lombardi, S.; López-Coto, R.; Láinez, M.; Orlando, E.; Adam, R.; Janecek, P.; Kluge, G.; Sánchez-Conde, M.; Micanovic, S.; Contreras, J. L.; Jung-Richardt, I.; Bordas, P.; Starecki, T.; van Scherpenberg, J.; Suomijarvi, T.; Larriva, A. Baquero; Principe, G.; Kissmann, R.; Blanch, O.; Pühlhofer, G.; de Gouveia Dal Pino, E. M.; Pecimotika, M.; Lamastra, A.; Reimer, O.; Tajima, H.; Leuschner, F.; Vandenbroucke, J.; Zhdanov, V. I.; Delgado, C.; Coimbra-Araujo, C.; Kobayashi, Y.; Cardillo, M.; Pirola, G.; Montaruli, T.; Fiandrini, E.; Beshley, V.; Yang, L.; Caraveo, P.; Leto, G.; Lenain, J.-P.; Aguirre-Santaella, A.; Słowikowska, A.; Capasso, M.; Oya, I.; Balbo, M.; Will, M.; Quirrenbach, A.; Vallania, P.; Bhattacharyya, S.; Giordano, F.; Ohm, S.; Orito, R.; Sharma, P.; Aguasca-Cabot, A.; Biteau, J.; Kubo, H.; Seglar-Arroyo, M.; Khélifi, B.; Suda, Y.; Vazquez Acosta, M.; Rosado, J.; Doro, M.; Rieger, F.; Tavecchio, F.; Piano, G.; Michalowski, J.; Heller, M.; Diebold, S.; Conforti, V.; Bernete, J.; Di Girolamo, T.; Schwanke, U.; Rigoselli, M.; Miranda, J. M.; Martí, J.; Chadwick, P.; Orlando, S.; Emery, G.; Scuderi, S.; Munari, K.; López-Moya, M.; Giavitto, G.; de Almeida, U. Barres; Kaaret, P.; Stamerra, A.; Vignatti, J.; Prandini, E.; Angüner, E. O.; Romeo, G.; Jin, W.; Verna, G.; Ballet, J.; Bregeon, J.; Marconi, M.; Zavrtanik, D.; Schovánek, P.; Starling, R.; Karas, V.; Bulgarelli, A.; Aramo, C.; Filipovic, M.; Fontaine, G.; Ascasibar, Y.; Giunti, L.; Pueschel, E.; Costantini, H.; Di Venere, L.; Holder, J.; Elsässer, D.; Knödlseder, J.; Donini, A.; Zavrtanik, M.; Giarrusso, M.; Moderski, R.; Mandat, D.; Roache, E.; Nagai, A.; Hassan, T.; Mosè, M.; Sliusar, V.; Zaharijas, G.; Ghalumyan, A.; Razzaque, S.; Komin, N.; Anjos, R. d. C. Dos; Giroletti, M.; Rizi, V.; Mukherjee, R.; Barbosa Martins, V.; Fukami, S.; Biland, A.; Sadeh, I.; Sushch, I.; Novosyadlyj, B.; Morcuende, D.; Amati, L.; Nemmen, R.; Di Pierro, F.; Barrio, J. A.; Martinez, M.

Preprint

PUBDB-2023-01790

Sensitivity of the Cherenkov Telescope Array to spectral signatures of hadronic PeVatrons with application to Galactic Supernova Remnants

Acero, F. ; Acharyya, A. ; Adam, R. ; Aguasca-Cabot, A. ; Agudo, I. ; Aguirre-Santaella, A. ; Alfaro, J. ; Aloisio, R. ; Crespo, N. Á. ; Alves Batista, R. ; Amati, L. ; Amato, E. ; Ambrosi, G. ; Angüner, E. O. (Corresponding author)Extern* ; Aramo, C. ; Arcaro, C. ; Armstrong, T. (Corresponding author) ; Asano, K. ; Ascasibar, Y. ; Aschersleben, J. ; Backes, M. ; Baktash, A. ; Balazs, C. ; Balbo, M. ; Ballet, J. ; Larriva, A. B. ; Barbosa Martins, V.DESY* ; de Almeida, U. B. ; Barrio, J. A. ; Bastieri, D. ; Baxter, J. R. ; Becker Tjus, J. ; Benbow, W. ; Bernardos-Martín, M. I. ; Bernete, J. ; Berti, A. ; Bertucci, B. ; Beshley, V. ; Bhattacharjee, P. ; Bhattacharyya, S. ; Biland, A. ; Bissaldi, E. ; Biteau, J. ; Blanch, O. ; Bordas, P. ; Bottacini, E. ; Bregeon, J. ; Brose, R. ; Bucciantini, N. ; Bulgarelli, A. ; Capasso, M. ; Dolcetta, R. A. C. ; Caraveo, P. ; Cardillo, M. ; Carosi, R. ; Casanova, S. ; Cascone, E. ; Cassol, F. ; Catalani, F. ; Cerruti, M. ; Chadwick, P. ; Chaty, S. ; Chen, A. ; Chernyakova, M. ; Chiavassa, A. ; Chudoba, J. ; Coimbra-Araujo, C. ; Conforti, V. ; Contreras, J. L. ; Costa, A. ; Costantini, H. (Corresponding author) ; Cristofari, P. (Corresponding author) ; Crocker, R. ; D'Amico, G. ; D'Ammando, F. ; De Angelis, A. ; De Caprio, V. ; de Gouveia Dal Pino, E. M. ; de Ona Wilhelmi, E.Extern*DESY* ; de Souza, V. ; Delgado, C. ; della Volpe, D. ; Depaoli, D. ; Di Girolamo, T. ; Di Pierro, F. ; Di Tria, R. ; Di Venere, L. ; Diebold, S. ; Djuvsland, J. I. ; Donini, A. ; Doro, M. ; Anjos, R. d. C. D. ; Dwarkadas, V. V. ; Einecke, S. ; Elsässer, D. ; Emery, G. ; Evoli, C. ; Falceta-Goncalves, D. ; Fedorova, E. ; Fegan, S. ; Ferrand, G. ; Fiandrini, E. ; Filipovic, M. ; Fioretti, V. ; Fiori, M. ; Foffano, L. ; Fontaine, G. ; Fukami, S. ; Galanti, G. ; Galaz, G. ; Gammaldi, V. ; Gasbarra, C. ; Ghalumyan, A. ; Ghirlanda, G. ; Giarrusso, M. ; Giavitto, G.DESY* ; Giglietto, N. ; Giordano, F. ; Giroletti, M. ; Giuliani, A. ; Giunti, L. (Corresponding author) ; Godinovic, N. ; Coelho, J. G. ; Gréaux, L. ; Green, D. ; Grondin, M.-H. ; Gueta, O.DESY* ; Gunji, S. ; Hassan, T. ; Heller, M. ; Hernández-Cadena, S. ; Hinton, J. ; Hnatyk, B. ; Hnatyk, R. ; Hoffmann, D. ; Hofmann, W. ; Holder, J. ; Horan, D. ; Horvath, P. ; Hrabovsky, M. ; Hrupec, D. ; Inada, T. ; Incardona, F. ; Inoue, S. ; Ishio, K. ; Jamrozy, M. ; Janecek, P. ; Martínez, I. J. ; Jin, W. ; Jung-Richardt, I. ; Jurysek, J. ; Kaaret, P. ; Karas, V. ; Katz, U. ; Kerszberg, D. ; Khélifi, B. ; Kieda, D. B. ; Kissmann, R. ; Kleiner, T.DESY* ; Kluge, G. ; Kluzniak, W. ; Knödlseder, J. ; Kobayashi, Y. ; Kohri, K. ; Komin, N. ; Kornecki, P. ; Kubo, H. ; La Palombara, N. ; Láinez, M. ; Lamastra, A. ; Lapington, J. ; Lemoine-Goumard, M. ; Lenain, J.-P. ; Leone, F. ; Leto, G. ; Leuschner, F. ; Lindfors, E. ; Liodakis, I. ; Lohse, T. ; Lombardi, S. ; Longo, F. ; López-Coto, R. ; López-Moya, M. ; López-Oramas, A. ; Loporchio, S. ; Luque-Escamilla, P. L. ; Macias, O. ; Mackey, J. ; Majumdar, P. ; Mandat, D. ; Manganaro, M. ; Manicò, G. ; Marconi, M. ; Martí, J. ; Martínez, G. ; Martinez, M. ; Martinez, O. ; Mello, A. J. T. S. ; Menchiari, S. ; Meyer, D. M. -A. ; Micanovic, S. ; Miceli, D. ; Miceli, M. ; Michalowski, J. ; Miener, T. ; Miranda, J. M. ; Mitchell, A. ; Mode, B. ; Moderski, R. ; Mohrmann, L. ; Molina, E. ; Montaruli, T. ; Morcuende, D. ; Morlino, G. ; Morselli, A. ; Mosè, M. ; Moulin, E. ; Mukherjee, R. ; Munari, K. ; Murach, T.DESY* ; Nagai, A. ; Nagataki, S. ; Nemmen, R. ; Niemiec, J. ; Nieto, D. ; Nievas Rosillo, M. ; Nikolajuk, M. ; Nishijima, K. ; Noda, K. ; Novosyadlyj, B. ; Nozaki, S. ; Ohishi, M. ; Ohm, S.DESY* ; Ohtani, Y. ; Okumura, A. ; Olmi, B. ; Ong, R. A. ; Orienti, M. ; Orito, R. ; Orlandini, M. ; Orlando, E. ; Orlando, S. ; Ostrowski, M. ; Oya, I.DESY* ; Pantaleo, F. R. ; Paredes, J. M. ; Patricelli, B. ; Pecimotika, M. ; Peresano, M. ; Pérez-Romero, J. ; Persic, M. ; Petruk, O. ; Piano, G. ; Pietropaolo, E. ; Pirola, G. ; Pittori, C. ; Pohl, M.DESY* ; Ponti, G. ; Prandini, E. ; Principe, G. ; Priyadarshi, C. ; Pueschel, E.DESY* ; Pühlhofer, G. ; Pumo, M. L. ; Quirrenbach, A. ; Rando, R. ; Razzaque, S. ; Reichherzer, P. ; Reimer, A. ; Reimer, O. ; Renaud, M. ; Reposeur, T. ; Ribó, M. ; Richtler, T. ; Rico, J. ; Rieger, F. ; Rigoselli, M. ; Riitano, L. ; Rizi, V. ; Roache, E. ; Romano, P. ; Romeo, G. ; Rosado, J. ; Rowell, G. ; Rudak, B. ; Sadeh, I.DESY* ; Safi-Harb, S. ; Saha, L. ; Sailer, S. ; Sánchez-Conde, M. ; Sarkar, S. ; Satalecka, K. ; Saturni, F. G. ; Scherer, A. ; Schovánek, P. ; Schussler, F. ; Schwanke, U. ; Scuderi, S. ; Seglar-Arroyo, M. ; Sergijenko, O. ; Servillat, M. ; Shang, R.-Y. ; Sharma, P. ; Siejkowski, H. ; Sliusar, V. ; Słowikowska, A. ; Sol, H. ; Specovius, A. ; Spencer, S. T. ; Spengler, G. ; Stamerra, A. ; Stanič, S. ; Starecki, T. ; Starling, R. ; Stolarczyk, T. ; Pereira, L. A. S. ; Suda, Y. ; Suomijarvi, T. ; Sushch, I. ; Tajima, H. ; Tam, P. -H. T. ; Tanaka, S. J. ; Tavecchio, F. ; Testa, V. ; Tian, W. ; Tibaldo, L. ; Torres, D. F. ; Tothill, N. ; Vallage, B. ; Vallania, P. ; van Eldik, C. ; van Scherpenberg, J. ; Vandenbroucke, J. ; Vazquez Acosta, M. ; Vecchi, M. ; Vercellone, S. ; Verna, G. ; Viana, A. ; Vignatti, J. ; Vitale, V. ; Vodeb, V. ; Vorobiov, S. ; Vuillaume, T. ; Wagner, S. J. ; Walter, R. ; White, M. ; Wierzcholska, A. ; Will, M. ; Williams, D. ; Yang, L. ; Yoshida, T. ; Yoshikoshi, T. ; Zaharijas, G. ; Zampieri, L. ; Zavrtanik, D. ; Zavrtanik, M. ; Zhdanov, V. I. ; Z̆ivec, M. ; Cherenkov Telescope Array Collaboration (Collaboration author)

2023

[10.3204/PUBDB-2023-01790]

This record in other databases:

Please use a persistent id in citations: doi:10.3204/PUBDB-2023-01790

Report No.: arXiv:2303.15007

Abstract: The local Cosmic Ray (CR) energy spectrum exhibits a spectral softening at energies around 3 PeV. Sources which are capable of accelerating hadrons to such energies are called hadronic PeVatrons. However, hadronic PeVatrons have not yet been firmly identified within the Galaxy. Several source classes, including Galactic Supernova Remnants (SNRs), have been proposed as PeVatron candidates. The potential to search for hadronic PeVatrons with the Cherenkov Telescope Array (CTA) is assessed. The focus is on the usage of very high energy γ-ray spectral signatures for the identification of PeVatrons. Assuming that SNRs can accelerate CRs up to knee energies, the number of Galactic SNRs which can be identified as PeVatrons with CTA is estimated within a model for the evolution of SNRs. Additionally, the potential of a follow-up observation strategy under moonlight conditions for PeVatron searches is investigated. Statistical methods for the identification of PeVatrons are introduced, and realistic Monte-Carlo simulations of the response of the CTA observatory to the emission spectra from hadronic PeVatrons are performed. Based on simulations of a simplified model for the evolution for SNRs, the detection of a γ-ray signal from in average 9 Galactic PeVatron SNRs is expected to result from the scan of the Galactic plane with CTA after 10 h of exposure. CTA is also shown to have excellent potential to confirm these sources as PeVatrons in deep observations with O(100) hours of exposure per source.

Keyword(s): emission: spectrum ; Cherenkov Telescope Array ; galaxy ; spectral ; signature ; supernova ; observatory ; energy spectrum ; sensitivity ; cosmic radiation ; statistical ; VHE ; hadron ; Gamma rays: general ; Cosmic rays ; Galactic PeVatrons ; (Stars:) supernovae: general ; Methods: data analysis ; Methods: statistical