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ちえこふじがわ
4 years ago
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1 最高エネルギー宇宙線ニュートリノ観測の現状と将来宇宙線研究所将来計画に向けた勉強会平成 18 年 4 月 20 日 ICRR 福島正己

2 WEB で公表するにあたりこの頁を付け加えました他に図の出典など小さな修正も加えています TA は現在 ph-1 TA の完成に全力を注いでいるため将来計画について十分な議論が出来る体制ではありません以下の報告は TA の宇宙線研グループで 2 度行った議論勉強会と福島の考え ( バイアス ) に基づいていますグループとしての方向は今後の研究の進展や共同研究者との議論研究会世界的な流れの中で形づくられて行くと思いますまたこの中の発表の大部分は WEB などで公表された PPT 発表や公刊文献から取りましたグループの芝田竹田得能の各氏に資料の収集まとめに貢献していただきました

3 UHECR and UHEν experiments Haverah Park DUMAND AGASA HiRes AMANDA 南 AUGER Bikal ph-1 TA TALE Ashra EUSO OWL ANTARES NEMO NESTOR LOPES ANITA full AUGER full TA LOFAR JEM / EUSO IceCube cosmic vision EUSO KM3NetEU 地表 SD/FD 宇宙 FD 南極氷 ν 地中海 ν 電波探査

4 AGASA 明野観測所 1km 2 アレイ N > 100 台のシンチミュー検出器比例計数管で ~30 台ハドロンカロリメータとコアアレイ AGASA AGASA 2m 2 5cm 厚シンチが 111 台 ~1km 間隔光ファイバーの使用で 100km ~1990 年から 2004 年 1 月まで 13 年間の観測 AGASAの成果 ~10 18 ev Anisotropy 銀河中心からの excess ~10 19 ev 点源 ~10 20 ev Continued spectrum, No GZK cutoff 明野観測所の共同利用粒子検出器は全て停止 4 月から機能縮小して運用主としてサイトとファシリティの利用

5 Fly s Eye, HiRes ユタ FY mono > FY stereo HiRes / MIA hybrid first HiRes-1 then + HiRes-2 HiRes stereo High Resolution Fly s Eye HiRes-1, 1 ring: 仰角 , Old FY electronics (S/H) HiRes-2, 2 rings: , FADC wave form sampling HiRes の成果 ~10 18 ev heavy to light transition ~10 19 ev BL Lac との correlation ~10 20 ev GZK cutoff 2006 年 4 月 HiRes 観測停止 TA サイトへ移設して TA 第 3 望遠鏡サイト ev 領域の FD stereo: TALE NSF 予算 (FY2006-FY2008) が認められた

6 Energy Spectra by AGASA and HiRes AGASA HiRes

7 2006 年 2 月柏 HiRes Monocular & Prelim Stereo Spectra (Stereo Normalized to Monocular)

8 Paul Sommers (this conference) S.Yoshida 29 th ICRC Pune Summary Auger SD spectrum Energy scale uncer. still large ~40 % in 100 EeV improvement will come soon

9 ICRC2003 筑波福島 The Mission of phase-1 TA Confirm / Refute super-gzk cluster by AGASA x 10 hybrid The problem is understood only if the answer is independent of methods, by air fluorescece or ground array, by water tank or scintillator, in the north or the south

10 Ph-1 1 TA Millard County in Utah/USA Comm. Tower ~600 Counters AGASA x 10 CLF 3 x Fluorescence Stations AGASA x 4 TALE Low Energy Extension

11 CRC 将来計画検討シンポ 2005 年 12 月福島まとめ TA の未来 : 物理の課題装置の性能と限界コストとマンパワー 2010 年までにが判る Full TA: 大気蛍光望遠鏡 10 基 AGASA x100 アレイ ; 4500 台の SD Scalable from ph-1 TA 80 / 45 億円科研費 or 特別教育研究経費国際協力

12 AGASA が正しい Super-GZK の起源は? Top-down: ν γ 銀河中心宇宙紐 Bottom-up: 鉄核点源天体相対論 : 陽子起源天体までの距離 Zバースト : ν γ 極高 ν 天体? 等方? HiRes が正しい規模粒子種到来方向 > 巨大 FD 精密 SD GZK Cutoff か? 加速限界か? ( 天体起源 ) GZK ν の検出 apres GZK 宇宙線起源天体での物理規模粒子種到来方向巨大地表 FD, 宇宙 FD TAUGER > 巨大 ν 検出器 World only one Detector = 宇宙 FD?

13 GZK cutoff あり, cluster anisotropy なし健全な常識は正しいのか? Takami-Yoshiguchi-Sato Astro-ph/

14 巨大地表 FD 50km 160 km 2 x 160 km 2 AGASA x 100

# of Events γ 40 35 30 25 20 15 10 5 0 p p ν Fe 50 station

station years γ 600 800 1000 12001400 Xmax (g/cm 2 )

15 # of Events γ p p ν Fe 50 station years ν E>10 20 ev ガンマ線 50% 陽子 50% Δ Xmax = 30 g/cm 2 30 station years γ Xmax (g/cm 2 ) Average Xmax (g/cm 2 ) Identifying γ Rays ( θ = 54 0 and 62 0 ) γ p Fe

16 Full -TA for UHE ν

17 AGASA x 100 Fluorescence Telescope 30 0 FoV telescope with 5 km spacing 広角固定望遠鏡アレイ ~100,000 km 2 by EUSO UHEνdetector: 3 x トンの空気 IceCube 10 9 トンの氷 160 km x 160 km = 25,600 km 2 covered by 1,089 telescopes Fly s Eye 1.5m Φ 5.5 度ピクセル 2m Φmirror 2 0 pixel (256ch) 総額 109 億円 1 基 1000 万円

18 30 0 FoV telescope with 5 km spacing 10 km 45 0 tilt 30 0 tilt vertical

19 仰角 45 0 で ~15 km 遠方まで見れば良い大気透明度の問題なし広角固定望遠鏡アレイ遠方での角度分解能の劣化なしエネルギー精度 Acceptance (flux) 精度 Mie 散乱 <10% Rayleigh 散乱補正小 Trigger & Acceptance がエネルギーに対してほぼ不変 (10 17 ev ev ) 高い方向精度 Xmax ( 粒子種識別 ) 精度 Long Track 大気透明度補正小

20 宇宙 FD JEM / EUSO in 国際宇宙ステーション ESA Cosmic Vision EUSO in 口径 10m 人工衛星

2006 年 1 月梶野 @JAXA EUSO の視野 EUSO ~ 300 x AGASA ~ 10 x Auger 観測状態の時 ~ 3000 x AGASA ~ 100 x Auger

21 2006 年 1 月 EUSO の視野 EUSO ~ 300 x AGASA ~ 10 x Auger 観測状態の時 ~ 3000 x AGASA ~ 100 x Auger 3 年間で2000イベント程度 (10 20 ev 以上 ) 1500 Giga-ton 大気超高エネルギーニュートリノ検出器としての可能性 (IceCube の 1500 倍 ) AGASA

22 2006 年 1 月 EUSO から JEM/EUSO へ EUSO 計画欧州 : Phase-A 研究終了日本 : 2004 年度から Phase-B 開始米国 : Phase-B 採用ミッション終了までのコミット共同研究国 (9 カ国 ) Italy, France, Switzerland Germany, Portugal, Spain Japan USA Brazil 2005 年 10 月 ESTEC 会議国際宇宙ステーション輸送機欧州における予算などの急激な状況変化により計画を変更日本 + 米国 : 日本実験棟船外実験プラットフォーム (JEM/EF) + H2A 輸送機 (HTV) を利用する JEM/EUSO 計画を推進する欧州 : ESA cosmic vision を目標に計画を立てる

23 2006 年 1 月 JEM/EUSO 計画の概要日本実験棟船外実験プラットフォーム (JEM/EF) への設置全重量消費電力熱制御稼動中非稼動中サバイバル閾エネルギーの低減 1. 口径 (2.5m 3.5m) 2. 新レンズ材 (CYTOP) と新設計 3. 高感度検出器 2.5m 口径 EUSO JEM/EF 1826kg 2500kg (#2#9#10) 1141W : OK 517W : OK 263W : 要改善 1141W 4. 高効率トリガ ( 余剰電力の利用 ) 斜め観測モードの採用 45 度の傾きで 5 倍の有効面積 JEM 第二期利用公募を目指す 3kW ( 約 3 倍の余裕 ) 100W 3kW 超高エネルギーニュートリノ検出能力の強化

24 ν 専用巨大検出器 (km 3 の氷 2π) ev ev AMANDA > Ice Cube in 南極深海の 3 検出器 > KM3-Net in 地中海

25 2006 年 2 月柏

3369 events below horizon AMANDA skyplot 2000-2003 optimized for

26 3369 events below horizon AMANDA skyplot optimized for best sensitivity to E -3 E -2 sources α Preliminary 2006 年 2 月柏

27 2006 年 2 月柏

28 IceCube construction 1 million pounds of cargo C-130 planes: > 50 flights 2006 年 2 月柏

Facility in the Mediterranean for Neutrino Astronomy and Associated

29 What is KM3NET? 2004 年 9 月 Steenhoven NIKHEF taken from web Design study for a Deep Sea Facility in the Mediterranean for Neutrino Astronomy and Associated Sciences Objective: develop cost-effective design of a 1 km 3 neutrino telescope (~ 200 M EUR) Participants from existing collaborations: +

30 KM3NET: site selection 2400m ANTARES NEMO 3400m 4100m NESTOR 2004 年 9 月 Steenhoven NIKHEF

31 KM3NET: basic concept Underwater Cerenkov detector of ~ 1 km 3 p ν μ ν ν p 2004 年 9 月 Steenhoven NIKHEF

5 deg 1 TeV 10 TeV (*) ANTARES location provides a sky coverage of 3.

32 KM3NET versus ICECUBE Complementary sky views * : KM3NET ICECUBE galactic centre Angular resolution: Energy threshold: KM3NET ICECUBE 0.1 deg 0.5 deg 1 TeV 10 TeV (*) ANTARES location provides a sky coverage of 3.5 π sr and an instantaneous common view with AMANDA of 0.5 π sr, and about 1.5 π sr common view per day. The Galactic centre is visible 2/3 of the time 年 9 月 Steenhoven NIKHEF

33 電波による空気シャワー観測 Radio Cherenkov (Askaryan effect) Radio Fluorescence (Bremsstrahlung) Radio Synchrotron Radiation Something else. 古くから観測されている色々あり良く判らない High Tech RD, 原理追求が面白い巨大 ν 検出器南極氷床 (ANITA), 岩塩ドーム () 地表検出器を代用簡単低コスト環境雑音再現性の問題?

34 空気シャワーそのものが発生する電波 Askaryan effect Askaryan effect が測定された (D. Saltzberg et al PRL 86 (2001) 2802) 大気中ではその他の電波が優勢入射一次宇宙線エネルギーの 2 乗に比例した電波強度をもち一次宇宙線が高エネルギーになるほど有望になる電波に対して透明な物質 ( 氷岩塩月面 ) がターゲットとなる FORTE, RICE, SALSA, GLUE, 空気シャワー粒子が地磁気に巻きついてシンクロトロン放射 ( 巻きつくといっても 1/4 周程度 ) Geo-synchotron radiation 大気中では Askaryan effect よりも優勢近年シミュレーターが整備されてきた LOFAR ( プロトタイプ LOPES 1-32MHz, 4MHz 毎 ) 空気シャワー粒子の制動放射によって生じる電波 Microwave Molecular Bremsstrahlung Radiation (MBR) AMBER (1G- 数 10GHz) 2006 年 4 月得能

35 ANITA Proposal ANITA proposal

36 氷岩塩検出器模式図

37 KASAKADE and LOPES (radio detection anntena) C.Grupen Siegen, from web

38 C.Grupen Siegen, from web

39 TA/ICRR 10 人の ( 気楽な ) 意見分布一人 2 票 0: TA / SD 4,500 台 (AGASA x 100) 3: TA / FD 10 基 (AGASA x 100) 9: Hi-Q SD (MU + INFILL + 北 AUGER) 4: 宇宙からのFD 6: 電波による観測 (ph-1 TA で開発試験縦横電波 ) 0: 南極 or 地中海ニュートリノ

40 まとめ TA 地表アレイはそのまま単純拡張でなく +μ 検出高密度化 ( 低エネルギー拡張分解能信頼度 ) FD: 単純拡張よりは固定望遠鏡アレイ ( 福島のバイアス大 ) あるいは宇宙へ電波観測は勉強 >RD が必要南極深海は我々が付け加えるものが小ない To be Continued

スライド 1

スライド 1 超高エネルギー宇宙線観測分野 : 実験のレビュー第 3 回 CRC town meeting 2012 年 6 月 30 日東工大西 3 号館 W331 室東大宇宙線研福島正己 1 内容実験 : TA and Auger (AGASA, HiRes, Yakutsk) スペクトラムの測定質量組成異方性現状のまとめと課題電波観測の R&D: MHz, GHz ( 山本常夏さん ) 将来計画