TA実験の結果とニュートリノ検出の可能性
ICRR 多米田裕一郎

Outline• Ultra High Energy Cosmic Ray• Telescope Array Experiment• TA Result– Energy Spectrum– Mass Composition• Summary

11.3.9

第24回「宇宙ニュートリノ」研究会

2

Ultra High Energy Cosmic Ray
UHECR Mass composition

UHECR Energy spectra

PRL.104.161101(2010)

PRL.104.091101(2010)

11.3.9

第24回「宇宙ニュートリノ」研究会

HiRes

Auger3

Telescope Array Experiment••

The largest cosmic ray detector in the northern hemisphereHybrid detector for UHECRs– Western desert in Utah, USA•

Surface detector– 507 plastic scintillation counter (AGASA type)– 1.2 km spacing, 678 km2– Particle density•

SD arrayFluorescence detector– Three FD stations– Northern site was transferred from HiRes-I– Longitudinal development••

FD station

35km

FD obs. started : Oct, 2007
SD obs. started : May, 2008

11.3.9

第24回「宇宙ニュートリノ」研究会

4Surface Detector

Scintillator
3m2x1.2cmx2layers
WLSF
1.0mmf 2cm spacing
2 PMTs(Electrontubes 9124SA)

Wireless LAN antenna
Scintillator
２
３ｍ 1.2cm 2layers 2.4GHz
WLSF
1.0mmφ ２ｃｍ spacing
Output2 PMTs (Electrontubes 9124SA)
Stainless steal box
230x170x10(cm3)（ thickness 1.2mm、1.5 mm厚）
Solar panel
120W

GPS antenna
Stainless box
FADC 12bit 50MHzGPS
LAN-MODEM
Charge Controller
Battery

11.3.9

第24回「宇宙ニュートリノ」研究会

5

SD Event example
2008/Jun/25 - 19:45:52.588670 UTC
air shower front

Lateral distribution

AGASA fitting function
S800

r = 800m
11.3.9S800 : energy estimator
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6

Fluorescence detector
Newly developed fluorescence detectors

Middle Drum site

11.3.9

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7

MD transferred from HiRes-I
Middle DrumTransferred from HiRes-I
14 telescopes / st.
5.2m2 mirror
256 PMTs / camera
Sample-and-Holdelectronics: 5.6 μs gate11.3.9

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8Fluorescence Detector (FD)12 telescopes / FD station
F.O.V. 108o x 30o
Long Ridge
Black Rock Mesa

1m60mm
256PMTs / 1camera
F.O.V
PMT 1.1ox1.0o
Camera 18ox15.6o

11.3.9HAMAMATSU R9508
Hexagonal bialkali photocathode
Borosilicate glass window
8dynodesQ.E.:30%(350nm)
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Gain:8.0x104(800V)

PMTWith BG33.3m
Spherical mirror
Curvature radius 6067mm

9Detected # of P.E.

TA FD Stereo EventLRBRM

11.3.9Datelog(E/eV)

Xmax

zenith azimuth

2008/09/04

19.71

890 g/cm2 44.3o
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-3.0o

Xcore

Ycore

-3.1

14.2
10

TA Results• Energy spectrum– TA MD mono
– TA Hybrid– TA SD• Mass Composition– TA FD Stereo

11.3.9

第24回「宇宙ニュートリノ」研究会

11

TA MD mono energy spectrum•••

Data: 2007/Dec~2008/Sep
MC: CORSIKA/QGSJET events~1/2 HiRes

Preliminary

11.3.9Preliminary

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12

TA FD & SD Hybrid
TA Hybrid analysis
Shower• Using signal arrival timing of FD and SDaxis• Angular resolution ~ 1.1deg (mono : ~4.7deg)
Using SD aperture
Constant above 1019eVtSD
Data set: BR + LR
May/27/2008 – Sep/28/2009 (~1.5 years)
tcorercore
MC: Shower simulation : COSMOSSD detector response : GEANT4



Primary energy

1018eV ~ 1020.5eV with E-3.1

Zenith anglecosθ=0.65 (≒50degree) ~ 1

Primary particle

ProtonThinning ratio

10-4 (≤1020eV), 10-5(> 1020eV)

Interaction model

QGSJET II (> 80GeV)DPMJET III (<80GeV)

Cut threshold

100keV

11.3.9Preliminary

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Arrival direction
Peak: 0.7 degree
Resolution(68%):
1.1 deg

iFDrSD

Preliminary13

TA-Hybrid: Data MC Comparison# of selected PMT

Preliminary

PreliminaryψPreliminary

χ2 of geom. fit

Rp

11.3.9# of clustered SD

Preliminary
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Preliminary-Log(L)

Preliminary
14

TA-Hybrid : Energy Spectrum
Preliminary

11.3.9

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15

SD Analysis• Good data fits:– c2/d.o.f.: > 4.0– Pointing direction resolution: < 5o– Fractional S800 uncertainty: < 25%• Good shower geometry:– Border Cut > 1200m– Zenith Angle Cut: < 45o• May/2008 –Feb/2010• 1.75 years, 6264 events (May/2008 –Feb/2010)
11.3.9

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16• Energy determinationtable is constructedfrom the fitting
results of the MonteCarlo.
• First estimation of theevent energy is doneby interpolating
between S800 vs. secθ
isoclines.
11.3.9log10(S800)

SD Analysis:
Energy Determination

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secq
17

SD Analysis: Data/MC ComparisonsS800
11.3.9Energy
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18

SD Analysis
1.1˚Zenith1.2˚Azimuthal

11.3.9

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19

SD Analysis: Energy Scale
ESD=1.27EFD

ESD=EFD• Energy scale isdetermined
experimentally by FD
without referring to MC.
• Set SD energy scale to
FD energy scale using
well-reconstructed
events detected by bothdetectors.
• 27% renormalization.

11.3.9

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20

TA Surface Detector
Energy Spectrum

11.3.9

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21

SD Energy Spectrum:
GZK Feature
Preliminary

11.3.9

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22

SD Energy Spectrum:
ComparisonPreliminary● TASD■ TA Hybrid▲ TA MD11.3.9

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23

SD Energy Spectrum:Comparison
TA Preliminary● TASDHiRes-I▲▼ HiRes-II

11.3.9

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24

SD Energy Spectrum:
Comparison
TA Preliminary●AGASA■ Auger▲ HiRes-I▼ HiRes-II■ TAHybrid■ TAMD● TA SD

11.3.9

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25

TA Results• Energy spectrum– TA MD mono
– TA FD Hybrid– TA SD• Mass Composition– TA FD Stereo

11.3.9

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26

Xmax technique•••

Shower longitudinal development strongly depends
on their primary particle type.
FD observes shower development directly.
Xmas is one of the most efficient parameter for
determining primary particle type.

HiRes

Number of charged particle

Shower longitudinal development

PRL.104.161101(2010)

Xmax
Depth [g/cm2]

11.3.9PRL.104.091101(2010)

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Auger27

Air Shower Monte Carlo
1. Distribution of Energy and Xmax
2. Systematic study for TA FD stereo
3. Expected Energy vs Xmax observed by TA FDCORSIKA v6.9
• Hadronic interaction model
QGSjet-01, SIBYLL••

Primary : P, FeEnergy :log(E) = 18.0 – 20.0•••

Zenith angle : 0 – 65 deg~1400m a.s.l (Height of TA Site)
Thinning factor : 10-4
Ecut: EM100keV, hadron100MeV

11.3.9averaged Xmax

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28

Detector Monte CarloDetector simulation• Shower generator : CORSIKA• Shower cores: within 20km from the center of F.O.V. ofeach station.
• Actual detector configuration• Typical atmosphere
Aerosol : typical value observed by LIDAR
scale height : 1.0km, mean free path : 29km
• Fluorescence model: Kakimoto et al., Flash (spectrum)

FD Stereo reconstruction
Determination of shower axis by stereo reconstruction is much better than
monocular reconstruction.
Opening angle by monocular reconstruction is 〜5deg(1σ ).

11.3.9

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29

TA-FD Stereo analysis @1019-19.2eV
Proton (QGSJET01)
ΔE/Esim

ΔXmax-11 ± 23 g/cm2-0.8 ± 7.9%
Iron (QGSJET01)
Missing energy correction (QGSJET-II)

ΔE/Esim

ΔXmax〜 -4%- Proton- Fe-11 ± 15 g/cm2-6.2 ± 5%
11.3.9

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30

Prediction of Averaged Xmax
CORSIKA11.3.9

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31

Prediction of Averaged Xmax
CORSIKA with Detector MC

11.3.9

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32

MC/Data Comparison••••

Data set: 2007/Nov – 2010/Sep
FD Stereo events
Comparison with MC
Quality Cut
Xmax observed
Zenith < 60oCore within 19.6km circle
Energy > 1018.0eV
χ2 cut11.3.9

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33

MC/Data Comparison (QGSJET01)
1018.8-19.0eV (47events)
Xcore

Ycore

log(#of P.E.)- Proton- Ironkm

ZenithAzimuthdeg
11.3.9km

Likelihooddeg
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34

Xmax Distribution (QGSJET01)
1018.2-18.4eVIron

1018.4-18.6eV

PreliminaryPreliminar
yProton1018.6-18.8eV

11.3.9Preliminary1018.8-19.0eV

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Preliminary35

Xmax Distribution (QGSJET01)
1019.0-19.2eV
Iron

Preliminary

1019.2-19.4eV

Preliminary

Proton1019.4-19.6eV

11.3.9Preliminary

1019.6-19.8eV

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Preliminary

36

Averaged Xmax
Preliminary

11.3.9

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37

Averaged Xmax

PRL.104.161101(2010)

HiRes

PreliminaryTA
PRL.104.091101(2010)

11.3.9

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Auger38

Neutrino detection @ TATA results : GZK suppression favor
GZK neutrino : expected to be observed
Neutrino search by FD and SD
Earth-skimming tau neutrinos, etc.

Preliminary

11.3.9

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39

Conclusion••••

TA : the largest detector in the northern hemisphere• FD : 2007/Nov. • SD : 2008/Mar. Energy spectrum
MD mono, TA hybrid, SD : Suppression
Mass Composition
FD stereo : Consistent with proton composition
TA Result is consistent with GZK suppression
GZK neutrino is expected to be observed.

11.3.9

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40