The	  extension	  plan	  of	  IceCube	  -­‐	  The	  ARA	  project	  K.	  Mase,	  Chiba	  Univ.	  

K.	  Mase	  2011.03.09	  	  24th	  Neutrino	  seminar	  	  ■	  The	  Extremely	  High	  Energy	  Neutrinos	  (>107	  GeV)	  p" 2.7K # $ ± + X # µ ± + % # e ± + % 'sπ	!

µ	νµ	

νe	  

νµ	e

Shed	  light	  on	  the	  EHECR	  origin	   Source	  posiAon	   ComposiAon	  (proton/iron)?	  
 Source	  evoluAon	  IceCube:	  ~1	  event/year	  expected	  -­‐>	  MORE	  waned!	  
K.	  Mase	  2011.03.09	  	  24th	  Neutrino	  seminar	  	  2�■	  Radio	  wave	   ASenuaAon	  length	  of	  the	  south	  pole	  ice	   OpAcal:	  ~100m	   Radio:	  ~1km	  	   Easier	  to	  make	  a	  bigger	  detector	  in	  an	  economical	  way	   More	  informaAon	  needed	  for	  the	  precise	  modeling�

K.	  Mase	  2011.03.09	  	  24th	  Neutrino	  seminar	  	  3�Saltzberg et al. PRL 2001

■	  Askaryan	  eﬀect	   1962:	  Askaryan	  predicted	  coherent radio emission
from excess negative charge in an EM shower	  (~20%	  due	  to	  mainly	  Compton	  scaSering	  and	  positron	  annihilaAon)	  	  	  	  	  	  →	  Askaryan	  eﬀect	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  (power	  ∝	  Δq2,	  thus	  prominent	  at	  EHE)	   2001:	  ﬁrstly	  conﬁrmed	  at	  SLAC	  with	  Silica	  sand	  (D.	  
Saltzberg	  et	  al.)	   2005:	  conﬁrmed	  with	  salt	  (P.	  Gorham	  et	  al.)	   2007:	  conﬁrmed	  with	  ice	  (P.	  Gorham	  et	  al.)	  Gorham et al. PRD 2005

 The	  eﬀect	  started	  to	  be	  well	  understood.	  

Gorham et al. PRL 2007

G. Askaryan�
K. Mase2011.03.09 24th Neutrino seminar4�■	  ANITA	  (AntarcQc	  Impulsive	  Transient	  Antenna)	  	  detects	  radio	  wave	  from	  showers	  using	  Askaryan	  eﬀect	  	  view:	  1.5	  M	  km2	  !	  (Tokyo-­‐Hakata:	  880km)	  	  sensiAve:	  0.2-­‐1.2	  GHz	  	  2003-­‐4:	  ANITA-­‐lite	  (2	  hones)	  	  2006-­‐7:	  full	  ANITA	  	  	  	  	  	  35	  days,	  3.5	  orbits,	  good	  data:	  ~10	  days	  	  2008-­‐9:	  ANITA	  2	  	  	  	  	  live	  days	  28.5	  days	  ANITA calibration�

K. Mase2011.03.09 24th Neutrino seminar5�■	  Next	  plan	  -­‐	  Askaryan	  Radio	  Array	  (ARA)	  9kmx9km	  37	  string	  clusters	  	   Each	  cluster	  has	  4	  strings	  of	  200m	  depth	  	   Each	  string	  has	  2	  Vpol	  +	  2Hpol	  broadband	  antennas	  (200	  MHz	  -­‐	  1	  GHz)	  	   Total	  surface	  area	  ~80	  km2�K.	  Mase	  2011.03.09	  	  24th	  Neutrino	  seminar	  	  6■	  The	  ARA	  sensiQvity	  Preliminary�Model	  #/year	  GZK	  (*)	  7.0	  Iron	  CR	  BG	  ~1	  More	  physics!	  
Sheds	  light	  on	  EHECR	  origin�

K.	  Mase	  (*)	  Yoshida	  et	  al.,	  ApJ,	  1997,	  m=4,	  Zmax=4�
2011.03.09	  	  24th	  Neutrino	  seminar	  	  7■	  Test	  at	  the	  south	  pole	  this	  year	   Test	  bed	   Pulsar	  (calibraAon	  source)	   Drill	  test	  →	  no	  problem	   Windmill	  test	  →	  one	  of	  three	  is	  working	  properly�K.	  Mase	  2011.03.09	  	  24th	  Neutrino	  seminar	  	  8�K.	  Mase	  2011.03.09	  	  24th	  Neutrino	  seminar	  	  9�■	  The	  event	  rate	   Very	  quite!	  
 Trigger	  rate:	  2-­‐3	  Hz	   1	  Hz:	  calibraAon	  source	   0.5	  Hz:	  unbiased	  data	  (forced	  trigger)	   Remaining:	  thermal	  noise	   Live	  Ame	  >	  95%�K.	  Mase	  2011.03.09	  	  24th	  Neutrino	  seminar	  	  10�■	  Time	  resoluQon	  by	  using	  a	  calibraQon	  source	  mV�

mV�Raw data�

ns�ns�
Cross correlation� ResoluAon	  of	  ~170ps	   Uncalibrated	  data	  used	  �����→	  should	  be	  beSer	   ~3cm	  resoluAon	   ~0.3°	  angular	  resoluAon	  with	  10m	  antenna	  separaAon	  K.	  Mase	  2011.03.09	  	  24th	  Neutrino	  seminar	  	  11�■	  The	  DAQ	  system	  Ice Radio
Sampler (IRS)�

 2GSa/s	   GPS	  will	  be	  used	  for	  the	  absolute	  Aming	  (~10ns)	   Rubidium	  clock	  will	  be	  used	  for	  the	  beSer	  stability	  (~500ps@1s	  required)	   Wireless	  will	  be	  used	  for	  the	  communicaAon	  between	  staAons	  (~1Mbps	  required)�
K.	  Mase	  2011.03.09	  	  24th	  Neutrino	  seminar	  	  12■	  Required	  Qme	  resoluQon	  Simple	  assumpAon�

lhsin !
t==c/nc/n
h cos!
!t =!! " 600 ps
c/n(!! = 1o , h = 10m, ! = 45o )K.	  Mase	  h = 10ml

2011.03.09	  	  24th	  Neutrino	  seminar	  	  !

13�■	  GPS	  test	  antennaserial info	
FPGA	GPS	PC	GPS	oscilloscope	
1pps	

 i-­‐LOTUS	  M12M	  (successor	  of	  Motorola)	   ResoluAon	  (wo	  correcAon):	  9.2	  ns	   ResoluAon	  (with	  correcAon):	  3.1	  ns	   No	  degrade	  seen	  by	  satellite	  number�

wo correction~2 hours�

with correction	

K.	  Mase	  2011.03.09	  	  24th	  Neutrino	  seminar	  	  2 satellites
3 satellites
4 satellites
5 satellites
6 satellites	14�

■ GPS test in a freezer-40℃�
wo correction
with correction	 ResoluAon	  (wo	  correcAon):	  10.0	  ns	   ResoluAon	  (with	  correcAon):	  5.4	  ns	   Only	  a	  liSle	  degrade	  at	  -­‐40	  deg.	  
1 satellite
2 satellites
3 satellites
4 satellites
5 satellites
6 satellites
7 satellites
8 satellites
9 satellites	~2.5 hours�
K.	  Mase	  2011.03.09	  	  24th	  Neutrino	  seminar	  	  15�■	  Rb	  clock	  test	  antennaPC	

serial info	
FPGA	GPS	
1pps	

CAMAC
TDC	

Rb	
Rb	
1pps	

Time difference between events�

Accubeat AR133A
 1 second Allan deviation: 3 x 10-11 (30 ps)

1pps	

 1 PPS input possible 1 PPS and 10 MHz clock output�

1 second Allan deviation of 3.8 x 10-11 (38 ps)�K.	  Mase	  2011.03.09	  	  24th	  Neutrino	  seminar	  	  16�■	  Rb	  clock	  test	  with	  GPS	  input	  Total spread: ~5ns�

serial info	
FPGA	GPS	Rb�

CAMAC
TDC	

PC	

GPS	
1pps	 Rb�Time difference between events�

1pps	
~6 days�

1 second Allan deviation: 3.4 x 10-10 (340 ps)
By fitting only the peak: 6.7 x 10-11 (67 ps)�K.	  Mase	  2011.03.09	  	  24th	  Neutrino	  seminar	  	  17�■	  Rb	  clock	  test	  with	  GPS	  input	  at	  low	  temperature	   The Rubidium clocks and GPS were
tested in a freezer (-40 deg.).
 The results did not change.�

Allan deviation:�
m!11(yi+1 ! yi )2! y(" ) = 2(m !1) "i=12

Indicates the deviation for the time scale�
1 sec Allan deviation: ~3 x 10-10(better taking out the outliers)
Maximum Allan deviation: ~2 x 10-9K.	  Mase	  2011.03.09	  	  24th	  Neutrino	  seminar	  	  18■	  Wireless	  communicaQon	  test	  Iioka	  Beach	  Performed 3-4/3/2010 @ Kujyukuri-hama�

2.75	  km	  6.23	  km	  Iioka	  Park	  Iioka	  light	  house	  ■	  Throughput	  lighthouse�@ 6.23 km�

22.4	  Mbps	  Sigma	  0.6Mbps	  4.4	  Mbps	  Sigma	  1.4	  Mbps	   The	  throughput	  is	  enough	  for	  our	  purpose!	  
 Tests	  at	  low	  temperature	  will	  be	  performed.�■	  Further	  plan	   2011/12
 ARA station 1
 Performance demonstration
 Test wireless and remote power 2012/13
 ARA station2
 Performance demonstration
 Deploy 7 more stations?
 Total 9 stations are funded.
 Need more fund to realize the full arrays (37).
 Hope your cooperation!

K.	  Mase	  2011.03.09	  	  24th	  Neutrino	  seminar	  	  21�■	  Summary	  	  The	  ARA	  project	  has	  just	  started	  in	  order	  to	  reveal	  long	  standing	  mystery	  of	  the	  EHECR	  origin.	  
	  The	  ﬁrst	  equipment	  was	  deployed	  at	  the	  south	  pole.	  
	  The	  ﬁrst	  data	  indicates	  the	  excellent	  performance.	  (0.3°	  angular	  resoluAon)	  	  	  	  Tests	  for	  GPS,	  Rubidium	  clock	  and	  wireless	  was	  performed.	  
The	  performances	  saAsfy	  the	  requirements.	  	  K. Mase2011.03.09 24th Neutrino seminar

22�

Backups�

K.	  Mase	  2011.03.09	  	  24th	  Neutrino	  seminar	  	  23�

K.	  Mase	  2011.03.09	  	  24th	  Neutrino	  seminar	  	  24�