Augerでの超高エネルギー宇宙ニュートリノ探索
山本常夏：甲南大学

1.Auger観測の概要
2.観測結果3.高エネルギーニュートリノ
検出方法
4.将来計画南Auger観測所

Measure UHECR with Unprecedented
Precision and Accuracy

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• 大気蛍光法と空気シャワーア
レイを使ったHybrid観測• できるだけシミュレーションを排除したデータ解析• Auger Next ・・・

アルゼンチンの草原に約50億円で建設された世界最大の宇宙線観測装置
1600個の粒子検出器、4ヶ所24台の大気蛍光望遠鏡
3000km²の検出面積
17ヶ国による国際協力

南AUGER観測所
大気蛍光望遠鏡

地上検出器

Aaron S. Chou, SSI 2007

Hybrid DetectionΔθ=0.2 degree

Longitudinal ProfileΔθ=3-5 degrees

Lateral DistributionΔθ=1-2 degrees

Primaryparticle

最初は電磁カスケードが主成分発達が進むとミューオンが主成分になる
シャワーフロントはしだいに薄くなり、平らになる

first interaction
X1~50g/cm2
Showerstartup

観測
可 Shower
maximum
能(Xmax)
領 ~700g/cm2
域

Showercascade地表アレイで観測された
空気シャワーのイメージ

各検出器の信号強度v.s.
シャワー軸からの距離

シャワー粒子の横方向分布
シャワー面の時間構造
下端は10%の信号が検出器に入った時間
上端は90%の信号が検出器に入った時間

空気シャワーの天頂角により通過した大気の厚さが変化する
鉛直方向からくる空気シャワーは通過物質が薄い
水平方向からくる空気シャワーは通過物質が厚い地表検出器の信号の時間構造からシャワー面の構造が測定できる
つまり地上でのシャワー発達段階が分かる

天頂角 13 度
シャワー ディスクが厚い

シャワー軸近くは電磁成分がほとんどシャワー軸から離れるとミューオンがほとんど

天頂角 76 度
シャワーディスクが薄い

天頂角が大きくなるとミューオン成分のみになる

天頂方向からくる空気シャワーは 電磁カスケードが主成分で①コンパクトなイメージ ②急な横方向分布③厚いシャワーデスク ④曲率の大きいシャワーフロントなどの特徴がある横方向からくる空気シャワーは ミューオンが主成分で①長く大きなイメージ ②フラットな横方向分布③薄いシャワーデスク ④平らなシャワーフロ
ントなどの特徴がある

MCシミュレーション

905g

地上検出器
観測データ
980g

シャワー面
時間構造
粒子数横分布

1300g

1650g

2800g

大気蛍光望遠鏡で観測されたシャワー
縦方向発達

SD, FDのデータから多様な情報が得られる

17000gAugerの観測結果•キャリブレーションの精度が上がっているが、エネルギースケールは変わっていない•5.5×10¹⁹eV以上のエネルギーで、弱い異方性が示唆されている。

黒丸が5.5×10¹⁹eV以上の宇宙線到来方向。青丸が75Mｐｃ以内にあるAGNの方向で、色の濃さでExposureを表わしている。

高エネルギー陽子

低エネルギー陽子

高エネルギー原子核

大気中の電磁カスケードの発達は2次電子のエネルギーが84MeVになったら終わる
高エネルギー陽子は大気深くで最大発達を迎えるが、低エネルギー陽子と高エネルギー原子核は上空で最大発達を迎える

2ヶ所以上の望遠鏡で観測されたデータを使いXmaxの決定精度を実験的に求めている20gの精度でXmaxを決めることができる

Xmax : 空気シャワー最大発達の大気深さ

Xmax -- E

σ_Xmax -- E

Xmaxの測定は高エネルギーで原子核成分が増えていることを示唆している

σ_Xmaxの揺らぎを測ると、モデル依存性が小さな測定ができる。

Auger と HiRes / TAの結果について解釈が違っている

AugerはXmaxを含んでいない領域をのぞいて解析し、バイアスを軽減してる
HiRes/TAは全ての領域を使い、バイアスをシミュレーションに入れることにより、モデルとの比較を行っている

Xmax

近傍の活動銀河CenAからの鉄が検出されていると仮定すると、低エネルギーの陽子も同CenA 時に検出されるはずである。
10EeV以下のエネル
ギーでは2%レベルで等方性が確認されているので、検出結果と矛盾する。

宇宙線源の特定はニュートリノ検出が最強最高エネルギー陽子は、発生源と、伝搬過程でニュートリノを放出する

P+P, γπ± + Xμ± + ν_μe± + ν_e + ν_μ

大気深くで発達したシャワーを探せばニュートリノを検出できる地表検出器によるニュートリノ検出
信号の時間構造により水平方向シャワーから未発達シャワーを抜き出す
地表アレイによる水平方向シャワーの信号から求めたShape Parameter分布（観測データ）

下向きニュートリノから生じる2次粒子が作るシャワーから期待される分布 （MCシミュレーション）

各検出器での信号の形を表わすパラメータ一年あたりのExposure

Neutrino
Hadoronic

2x10¹⁶ [cm²sr s]
2x10²¹[cm²sr s]Upper Limit on Flux on neutrinos from Auger
2009年2月までのデータ

もうすぐGZKニュートリノまで到達する。

E2( E )  3.2 107 GeVcm 2 s 1sr 1 (Downgoing)E2( E )  4.7 108 GeVcm 2 s 1sr 1 (Upgoingτ)5x10¹⁹eV以上のフラックスの減少の起源はなにか？
• UHECRが陽子でCMBとの相互作用によるものならγとνが見えてくるはず。
• UHECRが鉄だと ・・・• 源での加速限界？？

10²ᴼeV付近の化学組成の測定と、低エネルギー拡張計画が現在の中心課題になっている

北Auger• 米国コロラド州に南Augerの7倍以上の観測所を作る計画を米国でNFSとDOEに提案• 2009年9月にParticle Astrophysics
Scientific Assessment Group (PASAGE)がレポートを提出。科学予算が3.5%の率で増え続ければCTAをサポート。さらに6.5%増え続ければ北Augerもサポート。
•2010年8月にAstro2010 decadal surveyが公表される。UHECR観測はサポートされなかった。
•2010年9月にUS Funding Agenciesから解答がある。「粒子天文学上重要な発見がない限り北Augerに予算をつけない」•南Augerのサポートは続ける•EUでは今年ASPERAで高エネルギー宇宙線の”inovation detection method”に1.8MEuroついた。
•EUでMulti-Messenger全天観測の提案がMP7に10MEuroなされている。

• Auger Nextなど新しい枠組みを作り全天観測を目指す。
• 現実的に南Augerの拡張を行いながら結果を見て対応を考えるか。。

北Augerサイトに先週設置された最初の地表検出器
まだあきらめていない低予算で開発ができる 空気シャワーからの電波観測に予算がついている

電子プラズマの制動放射

地磁気によるシンクロトロン放射

大阪市立大ー甲南大により建設中の宇宙線電波望遠鏡
大学の屋上に1.2m口径のBSアンテナを12台設置し、空気シャワーからのマイクロ波を測定するシステムを建設中

まとめ• Full Auger 2年分のデータによる スペクトル、異方性、光子制限、ニュートリノ制限が公表されている。
• 今後「スイス時計」のように定期的に結果を更新する予定• 高エネルギー相互作用に関する解析を行っている• 宇宙線源特定に向けて、空気シャワーを高精度で測定できる巨大な地上検出器の建設が必要