All-sky Survey High Resolution
Air-shower detector

全天高精度素粒子望遠鏡Ashra
におけるVHEν検出
Ashra共同研究者
佐々木真人（東京大学宇宙線研究所）

内容• Ashra計画• 開発・試験観測• VHEν検出
Ashraホームページ： www.icrr.u-tokyo.ac.jp/~ashra
ご意見、ご議論：

sasakim@icrr.u-tokyo.ac.jp

Ashra計画

宇宙ニュートリノ
低エネルギーν検出器
カミオカンデ超高エネルギーν望遠鏡
全天高解像度素粒子望遠鏡

Ashra

小柴昌俊(1987)

水が標的(3,000トン)
方向が分らない
超新星爆発(16万光年)

地殻・大気が標的(100億トン)
方向決定精度(1分角)
宇宙の加速器(〜5億光年)
ビッグバンの化石

超高エネルギーνによる深宇宙の探索超高エネルギー素粒子
ガンマ線バースト

活動銀河核
加速された陽子pγpγnnπ+pπ0μ+νμγγe+
̲ νeνμGZK機構
その起源と伝播の素粒子過程の解明

光メソン反応pγ →∆→nπ , pπ+0π →µ +νµ →e +νe +ν µ +νµ , π →γγ+++0ε γ ε p ≈ 0.2Γ GeV , εν ≈ 0.05ε p22

銀河外での陽子加速の証拠

Ashra検出器
Ashra ：チェレンコフ光、大気蛍光の観測を行う新しい検出器
特徴:• 全天監視 ⇒ 2πsr
• 高分解能 ⇒ 1分角• 同時観測• TeVγ• EHE p/γ
• VHEν

Ashra ステーション:

広角精細光学系••••

修正Baker-Nunn
光学系
球面鏡（分割鏡）
球面焦点面補正レンズ系
Pupil=1m F/0.74

イメージパイプライン• 12 望遠鏡 / ステーション• 全天 (2πsr) / 50M pixel•広角精細光学系 とイメージパイプライン

高精度・高S/N・自己トリガー可能な光電撮像イメージパイプライン

蛍光望遠鏡蛍光検出ステーション

１度角の分解能
おとめ座銀河団

HiRes Fly’s Eye

従来の大気蛍光望遠鏡
１分角の分解能
おとめ座銀河団

2mφ鏡
256ch PMT

PMTカメラ => 解像度〜1°
Ashra望遠鏡

マウナロア山観測予定地
マウナケア山逆転層

マウナロア中腹＠3300ｍ

開発・試験観測開発・試験観測スキーム
設計・開発

光学系

実機製作

ハワイ観測
OpticalFlash
探索

2/3スケール望遠鏡

TeVγ線源追尾観測
w/ 経緯台望遠鏡

イメージパイプライン
統合

1/1スケール
Ashra検出器

50°視野
空気シャワー観測試験観測サイト
ハレアカラ山頂にある、ハワイ大のコンクリートパッドを使用させてもらえることになる。近くにマグナム望遠鏡もある。
γ線望遠鏡

2003年8月：長らくこの状態で放置されていた
2003年12月：経緯台望遠
鏡本体の搬入・設置
2004年3月：ガレージ胴体部の設置
2004年6月：ガレージ完成

1/1スケール
望遠鏡

2004年8月：コンテナ設置
エレキルーム2/3スケール望遠鏡

2004年8月：望遠鏡搬入

R&D 状況ー2/3モデル望遠鏡• I.I.
• 補正レンズ• ミラー

2/3モデル望遠鏡

大口径レンズIIT
16インチ(400mm)φ受光面⇒ 16インチφ受光面 解像度 ３．４ラインペアー/mm⇒ 世界最大＆最高精度⇒ 24インチφの開発へ

ファーストライト

天文機器開発研究センターにて200４年2月

調整後の星像スポットサイズ〜2分角 => まずまずの出だしハレアカラ山頂での取得画像例

2.42

2.49

2.06

2.83

ペガサス座

by Ioka-san

by Ioka-san

GRB閃光観測の概略（予想図）

2/3スケール トリガー 高精度望遠鏡
Meade LX200
試作望遠鏡
短時間データ取得
増光天体発見

詳細情報取得

1/3スケール
試作望遠鏡
・地球近くの偽事象を視差で除去
・クロスチェック
（天文台で調整中）

γ線にバイアスされないアラート

GRB041211 フォローアップ
9.28

12:51:48 UTC Notice9.897.04
9.54

8.58
8.64

2004-12-11 11:31:50 UTC HETE2 WXM
4s露光 5秒間隔 11M画素
12:51:48 UTC Notice
約2000枚の画像取得

GRB041211 に対するリミット（抜粋）Light Curve例：GRB990123

9等-1500sec

Ashra

RAPTOR
4837sec,
Mag>17.1
4821sec,
Mag>17.2
1.3x104sec,
Mag>20Sari & Piran (99)

GRB Optical Flash 観測

2/3モデルRAPTORRAPTOR-A,B（wide）

Ashra
2/3モデル

視野角

19.5°

50°

集光面積

57cm2

990cm2

分解能

0.57分

2.0分

極限等級/露光時間

12等/30秒 13等/４秒

光電撮像イメージパイプライン

エレキ試作・装着

アンプ

トリガー

望遠鏡焦点部に搭載@Haleakala

ディスクリ
経緯台への装着

DAC制御

ハレアカラ山 TeV-γ試験観測

3m径反射望遠鏡＋光電パイプライン

イメージパイプラインによるシャワー像

試験観測3：50°視野空気シャワー観測−−

50°視野での初めてのγ線イメージング観測
Ashra検出器の現地統合試験
1.
2.
3.
4.

1/1スケール光学系
イメージパイプライン
トリガーセンサー
CMOSセンサー

光学要素の組込み・調整を行い、イメージパイプライン、トリガー部をインストールして観測を早急に開始。
＠ハレアカラ山頂

VHEν検出タウνフラックス

GZK 109 GeV

Athar, Tseng and Lin, ICRC 2003

空気シャワーMCの重要性• シャワー発達ふらつき• ハドロン物理（破砕関数）• 多重の素粒子反応• 複雑な大気環境• 高性能検出器

タウνシャワーシミュレーション
地球をかするタウνシャワー

山からのタウνシャワー

フアラライ

マウナロア

Ashra チェレンコフ光＋蛍光地球モデルνN反応

平均 Eτ＝0.8Eν

The tau lepton loses its energy in therock through 4 kinds of interactions:(1). Ionization (α): the tau lepton excites theatomic electrons. H. A. Bethe 1934(2). Bremsstrahlung (β):ττ
A. A. Petrukhin &V.V. Shestakov, 1968

A(3). Pair Production (β):ττ
A

R. P. Kokoulin & A. A. Petrukhin,1971

(4). Photo-nuclear interaction:
τγ

τ
X

N

F2(x,Q2)
Basic component

The nucleus shadowing effect is considered:F2A ( x, Q 2 )a ( A, x, Q ) =AF2N ( x, Q 2 )2Brodsky & Lu, 1990; Mueller & Qiu 1986;
E665 Collab. Adams et al., 1992

Summarizing all these:

The τ energy loss:−Iyer Dutta, Reno, Sarcevic, & Seckel, 01dEτ
⎞⎛= α + ⎜ ∑ β i ⎟ Eτ , X in units of g/cm2 ,dX⎝ i⎠

α and β i ' s are plotted below.

Tau Lepton Range

Iyer Dutta, Reno, Sarcevic, & Seckel, 01
Tseng, Yeh, Athar, Huang, Lee, & Lin, 03

Log(E/GeV)
Tau lepton range approaches to 20 km in rock.
Mountain-penetrating is sufficient!

タウ崩壊とシャワーエネルギー• Esh＝（ハドロン成分＋EM成分）のエネルギー和• 崩壊粒子質量とタウ偏極度の影響

GRBからのタウフラックス
GRB ντ flux inferred from Waxman and Bahcall
1997

Log(E/GeV)

Tseng et al., 03

AGNからのタウフラックス
AGN ντ flux inferred from Kalashev, Kuzmin,
Semikoz, and Sigl, 03

Log(E/GeV)

Tseng et al., 03

GZKからのタウフラックス
GZK ντ flux inferred from Engel, Seckel, and Stanev,
01

Log(E/GeV) Tseng et al., 03

Integrated tau lepton fluxin units of km-2yr-1sr-1

by G.-L.Lin

Energy &flux

AGN

GRB

GZK

1015-1016 eV

2.2

9.6×10-3

7.4×10-5

1016-1017 eV

4.9

7.1×10-3

1.1×10-2

1017-1018 eV

0.2

5.4×10-4

8.2×10-2

1.1×10-53.3×10-21018-1019 eV

W resonance (AGN) 0.08

Effective aperture (AΩ)eff
required for 1 event/yr, assuming a 10% duty cycle.
確実なニュートリノ
起源

Energy &Aperture(km2 sr)
1015-1016 eV

AGN

GRB

4.5

1000

1016-1017 eV

2.0

1400

910

1017-1018 eV

50

19000

1201018-1019 eV

GZK

290

GRB-ντ, GZK- ντ検出 ＝＞ 1000 km2sr クラスの検出器

GZKν出現タウの“姿”
水平面から出現する角度

シャワー最大発達の位置

Ashra分角解像度=>
地殻/山からの出現事例の効率的で確実な同定

GRBタウ検出に関するコメント• Ashraの分角解像度=>– 地殻/山からの出現事例の効率的で確実な同定• Ashraのチェレンコフ光検出=> 低エネルギー側– ４０ｋｍ遠方＝２５ｋｍ（最大発達）＋１５ｋｍ（大気減衰長）– 検出立体角小• Ashraの蛍光検出=> 高エネルギー側– １〜３０ｋｍ遠方での出現事例– シャワー軸を横から見る＝＞検出立体角大• 大気モニター重要– 地面と雲に近いシャワー飛跡

検出感度• 1年でエネルギー１桁あたり１例検出される流束(曲線)• E-2流束に対する90％CL上限値(直線)Ashra
チェレンコフ＋蛍光
Ashraチェレンコフ光

Ashra 蛍光100TeV以上のエネルギー全域で高感度にて探索

GZKν蛍光で初検出
GRBνチェレンコフで初検出
100TeV

10PeV

AGNνスペクトル解析

まとめ• Ashraの先導性：– 広角高精度光学系• GRB041211リミット＝＞ 稼動、天文学に貢献– 光電撮像パイプライン• チェレンコフシャワー像 ＝＞ 稼動、解析進行中– 若い力• いよいよ本番設置へ：– 入念な調整・較正・搬出前試験のため基盤整備– GZKニュートリノ 確実な初検出

皆様の暖かいご支援ご協力を何卒宜しくお願いいたします。

予備Ashra Collaboration
under development
Y.Aita, Y.Arai, Y.Asaoka, T.Browder, S.Dye, F.Fukagawa, T.Hayashino, W.S.Hou,
Y.B.Hsiung, M.A.Huang, M.Ieiri, M.Jobashi, H.Kuze, J.Learned,
N.Manago, T.Masuda, S.Matsuno, K.Noda, S.Ogawa,
A.Okumura, S.Olsen, K.Sakurazawa, M.Sasaki,
N.Sugiyama, N.Ujiie, H.Usami, M. Z. Wang,
Y.Watanabe, S.Yamada, M.Yasuda

TaiwanUS
University of Hawaii, Manoa
University of Hawaii, Hilo
University of Hawaii, IfAHawaii Pacific University

National Taiwan University
National United University

Japan
Institute for Cosmic Ray Research, Univ.Tokyo
High Energy Accelerator Research Organization
National Astronomical Observatory
Tokyo Institute of Technology
Tohoku University
Chiba University
Toho University

３. データフロー
GRB990123は、30秒程度で11等から2等以上増光。
急激に時間変化するものだけを素早く特定したい。
a) 前の画像との差分計算量の削減目的。最重要。

b) 増光事象のリストアップ、カタログマッチングc) 複数リストで偽事象を排除}
d) 明るさの絶対値情報で判断

すでに完成
現在構築中

アラート
LX200

詳細情報を得て、オフライン解析
Optical Flash、新星、変光星などを区別。

視差、山頂Proto γ実験用ガレージ
Moon

380,000km

1/1スケール試作用
10フィートコンテナ

移動中

1.4′
他実験

10km
165°
P-2/3

P-1/3
150km

コンピュータ望遠鏡

AshraによるTeV-γ全天観測• 標高3030m、清澄な大気• 低い夜光＋人工光BG• 高密度チェレンコフ光束• 全天で長時間同時観測
Cherenkov光の密度分布

年間観測可能時間の全天分布