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あおいほうねん
4 years ago
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1 雷と相関した TASD イベント 2014/11/07 立命館大理工奥田剛司他 Telescope Array Collaboration

2 講演概要テレスコープアレイ実験 (TA) の地表粒子検出器 (SD) で検出された特異なバースト事象に関するこれまでの経緯とその雷との相関について報告するスライドは以下のような構成となっているテレスコープアレイ実験 (TA) 及び TA 地表粒子検出器 (TASD) あるイベントの再構成失敗 (Structured Multi Waveform Event) バーストイベントの発見バーストイベントの特徴雷放電との相関他グループの観測結果との比較まとめ

3 Telescope Array 実験 MDFD 米国ユタ州ミラード郡 39.3N, 112.9W, 高度 1400[m] SKCT 32.4km 地表粒子検出器通信塔 27.6km CLF LRFD LRCT 507 SDs BRCT BRFD 大気蛍光望遠鏡

4 地表粒子検出器 (SD) による観測それぞれの地表粒子検出器は到来した粒子数相当の大きさの信号を検出し到来時刻と共に記録する複数台の検出器の情報からそのシャワー軸と地上でのシャワーの大きさを決定するシャワー軸近傍では非常に粒子数が多く離れるほど少ないシャワーの最前方は曲面状になり到来時刻はシャワー軸からの距離に応じて遅くなる大気蛍光望遠鏡と異なり基本的に常時稼働している

5 テレスコープアレイ地表粒子検出器 (TASD) 粒子検出部 : 3[m 2 ] 1.2[cm] のプラスティックシンチレーターが 2 層 104 本の波長変換ファイバーで各層 PMT へ電子回路 : 50MHz FADC Charge Controller GPS Wireless LAN データ収集 : シャワートリガーは隣接 3SD が 8[μs] 幅で同時に 3MIP を超えたときトリガー時刻から 32[μs] 以内の波形を全 SD から収集

6 粒子数分布非常に大きな宇宙線イベントの観測例下図は検出器位置でのヒットパターンシャワー軸からの距離到来時刻分布丸点の大きいものほど多数の粒子がヒットしているおり色の違いは到来時刻の差を表すシャワー軸からの距離

7 Structured Multi Waveform Event 元々シャワー再構成処理の前に再構成が失敗しないように工夫したイベント選別処理があり基本的に十分シャワー状に見えると判断できる大きなシャワーイベントを抽出するようにしてあるこれにより 2008 年 05 月からの最初の二年以上のデータで再構成が明らかに失敗したと判断できるイベントはなかったしかしその後のイベントの再構成は明らかに失敗と判断生データまでたどると異常に高度な多重波形イベントが存在することが明らかになったシャワー中心付近の検出器群の検出波形を次ページに示す

9 Structured Multi Waveform Event 元々シャワー再構成処理の前に再構成が失敗しないように工夫したイベント選別処理があり基本的に十分シャワー状に見えると判断できる大きなシャワーイベントを抽出するようにしてあるこれにより 2008 年 05 月からの最初の二年以上のデータで再構成が明らかに失敗したと判断できるイベントはなかったしかしその後のイベントの再構成は明らかに失敗と判断生データまでたどると異常に高度な多重波形イベントが存在することが明らかになったシャワー中心付近の検出器群の検出波形を前ページに示す定常的なミューオンなどでのランダムなチャンスコインシデンスによる多重波形イベントはシャワー再構成時に周辺の検出器との関係によりシャワーに関係する波形を選択採用して再構成するようにしてある通常はシャワー中心付近には一つのイベントにつき多くとも二つがせいぜいでランダムな時刻で到来複数の検出器間で構造を持った多重波形イベントは波形中に複数のシャワーがある形にみえるので再構成が非常に困難

10 VEM Structured Multi Waveform Event μs 先のページのイベントは ±32[μs] 波形中に複数のシャワー状の構造があるだけでなく前後に多数のイベントが存在するすなわち全体でバーストイベントである下の図は各イベントの全波形を検出器によらず重ね合わせたものエレキは 1[ms] 以下の範囲に 15 シャワートリガーを生成しうち最初の 10 個を波形収集トリガーとして記録 ( ファームウェアの仕様 ) うち三つ ( 下の 1,2,4 番目 ) が再構成前のイベント選別を通過先のページのイベントは下の 2 番目のイベント先のページの検出器ごとの波形からもわかるようにこのバーストは時間的な集中だけではなく空間的にも集中エレキの不明な暴走ではないのか?

11 VEM μs シャワートリガー生成前のデータすなわち各検出器の 3MIP 以上の信号の数がシャワー中心の検出器のみでこの一秒だけ増加ただこの増加量を考慮するとシャワートリガー生成に至らなかった放射線バーストも多数存在することを示唆 Structured Multi Waveform Event 3MIP 以上の信号の頻度 [Hz]

12 TASD で観測されたバーストイベント五年間の TASD のデータから 10 個のシャワートリガーバーストが見つかったここでのバースト定義は 1[ms] に 3 シャワートリガー以上である結果として 3 シャワートリガーのみならずバーストは 1[ms] 以内の期間で全トリガーが生成されているまたトリガー判定の隣接 3 台の中心検出器は一つのバースト中では非常に空間的に近接している date time usec trgpid hit hit hit hit hit hit hit hit hit hit hit hit hit hit hit hit hit hit hit hit hit hit hit hit hit hit hit hit hit hit hit hit hit hit hit hit hit hit hit hit hit hit hit hit hit hit hit hit hit hit hit hit hit

13 TASD で観測されたバーストイベント五年間の TASD のデータから 10 個のシャワートリガーバーストが見つかったここでのバースト定義は 1[ms] に 3 シャワートリガー以上であるが五年間でランダムなトリガーから期待されるバースト数は 10-4 以下である五バースト中のいくつかのイベントは空気シャワー用再構成を通過した date time usec X[m] Y[m] AS AS AS AS AS AS AS これらのバーストは時刻のみで定義しているが先のトリガー中心の情報からもわかるようにそれらのシャワーコア位置は非常に近接している AS AS AS AS AS

14 Burst Normal Burst 粒子ヒットマップ左図はバーストイベント右図は左の二つのイベントとほぼ同じ天頂角でシャワーサイズが左の二つイベントの中間程度の通常の空気シャワーイベントである

15 Burst Normal Burst 横方向粒子数分布左図はバーストイベント右図は左の二つのイベントとほぼ同じ天頂角でシャワーサイズが左の二つイベントの中間程度の通常の空気シャワーイベントである

16 左図のシャワーフロント形状は右図に比べてより湾曲している Burst Normal Burst 横方向到来時刻分布左図はバーストイベント右図は左の二つのイベントとほぼ同じ天頂角でシャワーサイズが左の二つイベントの中間程度の通常の空気シャワーイベントである

17 左図の波形には右図の波形のような鋭い立ち上がりが少ない Burst Normal 波形 Burst 左図はバーストイベント右図は左の二つのイベントとほぼ同じ天頂角でシャワーサイズが左の二つイベントの中間程度の通常の空気シャワーイベントである

18 北米雷検知網 (NLDN) で観測された雷放電との相関 Vaisala 社の NLDN は LF/VLF 帯電波を用いて雷放電を検出する観測された雷放電のリストは雷放電の時刻二次元座標ピーク電流そして雲放電か対地放電かを示すフラグを含んでいる NLDN は対地放電の検出効率は高いが雲放電の検出効率はそこまで高くない TASD の約三倍の領域バーストから ±1[ms] 以内の雷放電を Synchronized discharge と定義し Synchronized discharge を除くバーストから ±200[ms] 以内の雷放電を Related discharge と定義する TA

19 AS date time usec X[m] Y[m] Zenith H[m] LG date time usec X[m] Y[m] I[kA] Flag AS AS AS LG C LG G AS AS LG C LG G AS AS AS AS LG C NLDN で観測された雷放電との相関再構成された五つのバーストのうち四つで相関があった NLDN の検出効率を考えると非常に良い相関があると言える AS で始まる行が TASD イベントを LG で始まる行が NLDN イベントを表す NLDN イベントの色はそれぞれ Synchronized discharge と Related discharge を表す AS AS AS LG C LG G LG G

20 AS date time usec X[m] Y[m] Zenith H[m] LG date time usec X[m] Y[m] I[kA] Flag AS AS AS LG C LG G AS AS LG C LG G AS AS AS AS LG C AS AS AS LG C LG G LG G NLDN で観測された雷放電との相関再構成された五つのバーストのうち四つで相関があった NLDN の検出効率を考えると非常に良い相関があると言える AS で始まる行が TASD イベントを LG で始まる行が NLDN イベントを表す NLDN イベントの色はそれぞれ Synchronized discharge と Related discharge を表すこれらの相関は時刻のみで定義しているが TASD イベントと NLDN イベントの二次元座標も非常によく一致している

21 AS date time usec X[m] Y[m] Zenith H[m] LG date time usec X[m] Y[m] I[kA] Flag AS AS AS LG C LG G AS AS LG C LG G AS AS AS AS LG C AS AS AS LG C LG G LG G NLDN で観測された雷放電との相関再構成された五つのバーストのうち四つで相関があった NLDN の検出効率を考えると非常に良い相関があると言える AS で始まる行が TASD イベントを LG で始まる行が NLDN イベントを表す NLDN イベントの色はそれぞれ Synchronized discharge と Related discharge を表す NLDN イベントの 79% は対地放電フラグ (G) を持っているが相関のあった四つの Synchronized はすべて雲放電フラグ (C) を持っている後続の Related はすべて対地放電フラグ (G) である

22 AS date time usec X[m] Y[m] Zenith H[m] LG date time usec X[m] Y[m] I[kA] Flag AS AS AS LG C LG G AS AS LG C LG G AS AS AS AS LG C AS AS AS LG C LG G LG G NLDN で観測された雷放電との相関再構成された五つのバーストのうち四つで相関があった NLDN の検出効率を考えると非常に良い相関があると言える AS で始まる行が TASD イベントを LG で始まる行が NLDN イベントを表す NLDN イベントの色はそれぞれ Synchronized discharge と Related discharge を表す NLDN イベントの 85% は負極性ピーク電流を持つ放電で相関のあったすべての放電は負極性のピーク電流を持っていた雲放電のピーク電流は観測された先のページの分布に対して非常にまれな大電流

23 再構成されたシャワー軸と雷放電位置色は地上 0[m]~3000[m] までの高さを表す赤い丸点はシャワーコアヒット位置である NLDN イベント位置は NLDN の二次元位置決定精度 300[m] を半径とする円で表す先の結果から Synchronized discharge は雲放電なので高さ 3000[m] Related discharge は対地放電なので高さ 0[m] として図示してある

24 NLDN で観測された雷放電との相関 10 個のバーストのうち再構成を通ったイベントのなかった 5 個のバーストのうちの 2 個のバーストは先のページと同様に時間的空間的に雷放電と相関があったすなわち 10 個のバーストのうち 6 個で NLDN で観測された雷放電との相関があった残りの 4 個のバーストも 10 分以内に多数の雷放電が NLDN で観測されておりすなわち全てのバーストが雷雲下であった

25 Log-Normal like 他グループの観測結果との比較 M.S.Briggs, et al, J. Geophys. Res. (2010), vol 115, A07323 TASD TASD

26 Gaussian like 他グループの観測結果との比較 M.S.Briggs, et al, J. Geophys. Res. (2010), vol 115, A07323 TASD TASD

27 他グループの観測結果との比較 J.R.Dwyer, et al, Geophys. Res. Rett. (2005), vol 32, L01803 負極性落雷を伴う階段型前駆放電と同期した放射線観測階段型前駆放電の時間間隔はイベントごとに異なるがおよそ数 μs から 100μs この時間間隔はシャワートリガーのかからなかったイベントも含めて TASD バースト時間間隔と一致負極性落雷は電子が下向きに加速される状況で TASD バーストと Synchronized していた雲放電も負極性であったまた以下では RHESSI で観測された TGF が正極性 ( 電子の上向き加速 ) の雲放電と相関していることが報告されており合わせて TASD バーストと負極性放電の相関は妥当に思われる S.A.Cummer, et al, Geophys. Res. Rett. (2005), vol 32, L08811

28 他グループの観測結果との比較先に階段型前駆放電からの地上での放射線の研究は数台の NaI を km 2 程度に展開したものでエネルギー測定が主目的である検出器のサイズや展開面積により空間分布を計れるものではない TASD はエネルギーは計れないが時間応答の早いプラスチックシンチレータ (3m 2 ) を 507 台 680km 2 に展開しており地上における雷放電からの放射線に対してユニークな検出器となっている Fermi TGF の波形との比較は形状は似ているが時間スケールは ( イベントごとの違いがあるものの ) およそ 1.5 桁ほど異なるこの原因は第一には加速領域から検出器までの距離が 2 桁ほど異なることが考えられるまた加速領域そのもののサイズも階段型前駆放電付随のものより TGF はかなり大きいと思われる

まとめテレスコープアレイ実験地表粒子検出器 (TASD) は時間的空間的に局在したバーストイベントを観測したバーストイベントは通常の空気シャワーイベントと似ている点と異なる点があるこれらバーストイベントに対して時間的空間的に相関がある雷放電が北米雷検知網 (NLDN) の観測結果から確認されたバーストイベントに対する NLDN で観測された

29 まとめテレスコープアレイ実験地表粒子検出器 (TASD) は時間的空間的に局在したバーストイベントを観測したバーストイベントは通常の空気シャワーイベントと似ている点と異なる点があるこれらバーストイベントに対して時間的空間的に相関がある雷放電が北米雷検知網 (NLDN) の観測結果から確認されたバーストイベントに対する NLDN で観測された Synchronized discharge と Related discharge に関して雲放電と対地放電の割合やピーク電流値とその極性には特徴がある NLDN で観測された放電と相関のなかったバーストイベントもすべて雷雲下であることが確認された他のグループの観測結果との関連性について TASD は雷放電からの放射線の空間的な広がりを観測できるユニークな検出器である

Microsoft PowerPoint - jps11s_karube_ver110422

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