Investigation of the correlation patterns and the Compton dominance variability of Mrk 421 in 2017
Authors:   MAGIC Collaboration, Acciari V. A. , Ansoldi S. , Antonelli L. A. , Arbet Engels A. , Artero M. , Asano K. , Babić A. , Baquero A. , Barres de Almeida U. , Barrio J. A. , Batković I. , Becerra González J. , Bednarek W. , Bellizzi L. , Bernardini E. , Bernardos M. , Berti A. , Besenrieder J. , Bhattacharyya W. , Bigongiari C. , Blanch O. , Bošnjak Ž. , Busetto G. , Carosi R. , Ceribella G. , Cerruti M. , Chai Y. , Chilingarian A. , Cikota S. , Colak S. M. , Colombo E. , Contreras J. L. , Cortina J. , Covino S. , D’Amico G. , D’Elia V. , Da Vela P. , Dazzi F. , De Angelis A. , De Lotto B. , Delfino M. , Delgado J. , Delgado Mendez C. , Depaoli D. , Di Pierro F. , Di Venere L. , Do Souto Espiñeira E. , Dominis Prester D. , Donini A. , Doro M. , Fallah Ramazani V. , Fattorini A. , Ferrara G. , Fonseca M. V. , Font L. , Fruck C. , Fukami S. , García López R. J. , Garczarczyk M. , Gasparyan S. , Gaug M. , Giglietto N. , Giordano F. , Gliwny P. , Godinović N. , Green J. G. , Green D. , Hadasch D. , Hahn A. , Heckmann L. , Herrera J. , Hoang J. , Hrupec D. , Hütten M. , Inada T. , Inoue S. , Ishio K. , Iwamura Y. , Jiménez I. , Jormanainen J. , Jouvin L. , Kajiwara Y. , Karjalainen M. , Kerszberg D. , Kobayashi Y. , Kubo H. , Kushida J. , Lamastra A. , Lelas D. , Leone F. , Lindfors E. , Lombardi S. , Longo F. , López-Coto R. , López-Moya M. , López-Oramas A. , Loporchio S. , Machado de Oliveira Fraga B. , Maggio C. , Majumdar P. , Makariev M. , Mallamaci M. , Maneva G. , Manganaro M. , Maraschi L. , Mariotti M. , Martínez M. , Mazin D. , Menchiari S. , Mender S. , Mićanović S. , Miceli D. , Miener T. , Minev M. , Miranda J. M. , Mirzoyan R. , Molina E. , Moralejo A. , Morcuende D. , Moreno V. , Moretti E. , Neustroev V. , Nigro C. , Nilsson K. , Nishijima K. , Noda K. , Nozaki S. , Ohtani Y. , Oka T. , Otero-Santos J. , Paiano S. , Palatiello M. , Paneque D. , Paoletti R. , Paredes J. M. , Pavletić L. , Peñil P. , Perennes C. , Persic M. , Prada Moroni P. G. , Prandini E. , Priyadarshi C. , Puljak I. , Ribó M. , Rico J. , Righi C. , Rugliancich A. , Saha L. , Sahakyan N. , Saito T. , Sakurai S. , Satalecka K. , Saturni F. G. , Schmidt K. , Schweizer T. , Sitarek J. , Šnidarić I. , Sobczynska D. , Spolon A. , Stamerra A. , Strom D. , Strzys M. , Suda Y. , Surić T. , Takahashi M. , Tavecchio F. , Temnikov P. , Terzić T. , Teshima M. , Tosti L. , Truzzi S. , Tutone A. , Ubach S. , van Scherpenberg J. , Vanzo G. , Vazquez Acosta M. , Ventura S. , Verguilov V. , Vigorito C. F. , Vitale V. , Vovk I. , Will M. , Wunderlich C. , Zarić D. ,   FACT Collaboration, Baack D. , Balbo M. , Biederbeck N. , Biland A. , Bretz T. , Buss J. , Dorner D. , Eisenberger L. , Elsaesser D. , Hildebrand D. , Iotov R. , Mannheim K. , Neise D. , Noethe M. , Paravac A. , Rhode W. , Schleicher B. , Sliusar V. , Walter R. ,   Other groups and collaborations, D’Ammando F. , Horan D. , Lien A. Y. , Baloković M. , Madejski G. M. , Perri M. , Verrecchia F. , Leto C. , Lähteenmäki A. , Tornikoski M. , Ramakrishnan V. , Järvelä E. , Vera R. J. C. , Chamani W. , Villata M. , Raiteri C. M. , Gupta A. C. , Pandey A. , Fuentes A. , Agudo I. , Casadio C. , Semkov E. , Ibryamov S. , Marchini A. , Bachev R. , Strigachev A. , Ovcharov E. , Bozhilov V. , Valcheva A. , Zaharieva E. , Damljanovic G. , Vince O. , Larionov V. M. , Borman G. A. , Grishina T. S. , Hagen-Thorn V. A. , Kopatskaya E. N. , Larionova E. G. , Larionova L. V. , Morozova D. A. , Nikiforova A. A. , Savchenko S. S. , Troitskiy I. S. , Troitskaya Y. V. , Vasilyev A. A. , Merkulova O. A. , Chen W. P. , Samal M. , Lin H. C. , Moody J. W. , Sadun A. C. , Jorstad S. G. , Marscher A. P. , Weaver Z. R. , Feige M. , Kania J. , Kopp M. , Kunkel L. , Reinhart D. , Scherbantin A. , Schneider L. , Lorey C. , Acosta-Pulido J. A. , Carnerero M. I. , Carosati D. , Kurtanidze S. O. , Kurtanidze O. M. , Nikolashvili M. G. , Chigladze R. A. , Ivanidze R. Z. , Kimeridze G. N. , Sigua L. A. , Joner M. D. , Spencer M. , Giroletti M. , Marchili N. , Righini S. , Rizzi N. , Bonnoli G. 
Published: July 2021

Aims.We present a detailed characterisation and theoretical interpretation of the broadband emission of the paradigmatic TeV blazar Mrk 421, with a special focus on the multi-band flux correlations.

Methods.The dataset has been collected through an extensive multi-wavelength campaign organised between 2016 December and 2017 June. The instruments involved are MAGIC, FACT,Fermi-LAT,Swift, GASP-WEBT, OVRO, Medicina, and Metsähovi. Additionally, four deep exposures (several hours long) with simultaneous MAGIC andNuSTARobservations allowed a precise measurement of the falling segments of the two spectral components.

Results.The very-high-energy (VHE;E >  100 GeV) gamma rays and X-rays are positively correlated at zero time lag, but the strength and characteristics of the correlation change substantially across the various energy bands probed. The VHE versus X-ray fluxes follow different patterns, partly due to substantial changes in the Compton dominance for a few days without a simultaneous increase in the X-ray flux (i.e., orphan gamma-ray activity). Studying the broadband spectral energy distribution (SED) during the days includingNuSTARobservations, we show that these changes can be explained within a one-zone leptonic model with a blob that increases its size over time. The peak frequency of the synchrotron bump varies by two orders of magnitude throughout the campaign. Our multi-band correlation study also hints at an anti-correlation between UV-optical and X-ray at a significance higher than 3σ. A VHE flare observed on MJD 57788 (2017 February 4) shows gamma-ray variability on multi-hour timescales, with a factor ten increase in the TeV flux but only a moderate increase in the keV flux. The related broadband SED is better described by a two-zone leptonic scenario rather than by a one-zone scenario. We find that the flare can be produced by the appearance of a compact second blob populated by high energetic electrons spanning a narrow range of Lorentz factors, fromγ′min=2×104toγ′max=6×105.