次世代天文学シンポジウム

High-Energy Cosmic Rays andNeutrino Astrophysics
Shigeru Yoshida
Dept. of Physics, Chiba University.
http://www.ppl.phys.chiba-u.jp/

Visible

CMB

400 microwave
photons
per cm3

1 TeV= 1 Fermilab
GeV γ-rays

Flux

Radio

Energy (eV)ν////// TeV sources!
///
cosmic//rays//////

Energy Spectrum of CRs

CALETTibet宇宙ステーション搭載用高エネルギー宇宙線観測装置（CALET)JEM/EFにおいてTeV領域での高エネルギー電子線、ガンマ線の観測を行うことにより、宇宙物理における基本問題である、１）宇宙線の成因、２）暗黒物質の検出、３）宇宙進化の過程の解明を行う、計画を提案している。このため、2.5トンの質量を持つ観測装置（CALET）の基礎開発をすでにJSF地上研
究公募により6年間にわたって実施してきており、装置開発上の基本的な困難は全て克服できている。

InternationalSpace Station

Exposed Facility

CALET System
Mission BusUnit
Detector Unit

JEM: Japanese Experiment Module南極周回気球の放球風景(左図)と観測装置(BETS-PPB)概観。（南極昭和基地）

2004年1月のPPB実験航跡図（13日間）

PPB-BETSの観測領域（青色）CALETの搭載装置としての予備的な開発を全て終了し、プロトタイプによる先駆的な気球観測を実施する。そして、観測結果により装置へのフィードバックをかけ、観測性能の実証と向上を行い、次期ミッション公募の発動を待って、搭載装置の製作、観測を実施する 。

Anti Scintillator
IMC ( SciFi + Lead )MAPMTSciFi FECPD FECTASC ( BGO )Photo Diode

気球実験用のCALETの1/4スケールモデルの側面図。サイズはIMCが512 mm x 512 mmで、TASCは300mm x 300 mm。

Electron Energy Spectrum in 1 GeV ~ 10 TeV
Background: p/eSolarModulation

100 ~ a few 103
Poor Statistics & Inconsistency：- Acceleration and Propagation- Source Distribution in Space

Expected Observation by CALET

103 ~ 105
No Observation:
Direct Evidence ofSources, Anisotropy

Rejection Powerof 106 !!!

CALETのステータスz

日本宇宙フォーラムの「地上研究公募」のフェーズAI研究に2期（1期は3年間）にわたって採用され、装置要素開発、概念設計を実施した。その結果、搭載装置としての基本的困難はすべてクリアーされている。

z

日本の宇宙機関統合により、日本実験モジュール曝露部における宇宙科学ミッションは、宇宙科学研究本部が所轄することになり、理学委員会へ計画提案書を準備中である。

z

今後、ミッションAOが発動されれば、いつでも対応できる体制にあるが、搭載装置の製作には約6年間を想定されているので、打ち上げは2012年頃と予想される。

現在の国内の参加メンバーは、
鳥居祥二１）、槙野文命１）、 田村忠久1)、立山暢人1)、柏木利介1)、吉田健二1)、奥野祥二1)、日比野欣也1)、西村純2)、山上隆正2)、斉藤芳隆2)、高柳昌弘2)、上野史朗2)、富田洋2)、柴田槙雄3)、片寄祐作3)、内堀幸夫4)、北村尚4)、倉又秀一5)、市村雅一5)、笠原克昌6)、村上浩之7)、小林正8)、古森良志子9)、水谷興平10)、湯田利典10)、寺沢敏夫11)1) 神奈川大学工学部、２）宇宙航空研究開発機構宇宙科学研究本部、３）横浜国立大学工学部、４）放射線医学総合研究所、５）弘前大学理工学部、６）芝浦工業大学システム工学部、７）立教大学理学部、８）青山学院大学理工学部、９）神奈川県立保健福祉大学、１０）東京大学宇宙線研究所、１１）東京大学理学研究系

国外からは、以下の機関のメンバーが参加する。
中国科学院紫金山天文台、Goddard/NASA, Luisiana State Universiｔy, Siena University

Tibet次世代天文学シンポジウム

Energy Spectrum of CRs
AGASA エネルギースペクトル

Pγ3K

ΔＮπ

GZK mechanism

Arrival Directions of CRs

宇宙線望遠鏡 （phase-1 TA）
建設 2003-2006
観測 2007科学研究費 特定領域研究「最高エネルギー宇宙線の起源」による建設
東大宇宙線研，愛媛大理，大阪市大理，神奈川大工，近大理工，高エ機構，高知大理，埼大理，芝浦工大システム工，千葉大理，東工大理，広島市大情報，放医研, 武蔵工大工，山梨大工，ユタ大, ルトガース大 他

極高エネルギー宇宙線のエネルギー分布
AGASA

HiRes

地表検出器

大気蛍光望遠鏡

山梨県明野村

米国ユタ州

ＡＧＡＳＡ vs ＨｉＲｅｓ•

Energy scale error: AGASA~18%, HiRes mono ~25%•

Scale error を補正した後、AGASA : spectrum continues for E > 1020eV
HiRes : GZK cutoff•

統計が不十分、異なる測定方法、E > 1020eV での系統誤差？
>>>10 倍を超える検出器規模
大気蛍光・地表の同時観測（Hybrid）と相互の較正

新世代検出器T lAd Pi

AObt

Telescope Array : TA (phase-1) の建設
地表粒子検出器 ~６００台

AGASA x 9TALE
大気蛍光望遠鏡 ３基

AGASA x 4010

2030 km

Low Energy extension
in hybrid （米国主導）

米国ユタ州西部砂漠地帯、平均標高１４００ｍ

proto-1

SD Assembly
x 20 are being produced
In Delta this month.

proto-2

環境負荷の小さい検出器
prod. version○ 電力はソラーパネル (120 W)○ データ収集は無線LAN (11 Mbps)○ 同時計測タイミングはGPS (20 ns)○ 運搬設置はヘリコプター16 x 16 PMT arrayx 2 produced

3 m diameter
spherical
mirror x 12 produced

Fluorescence Telescopex 6 produced

Schedule of TA & Approved Funding Profile in Grant-in-Aidin Scientific Research (Kakenhi on Priority Areas) in Japan.

Tot = 13.3M inc. operation
1.5M

4.3M

4.3M

20 SD + 2 FD in desert
M.Fukushima / ICRR F.Kakimoto / Tokyo Inst. of technology,
S.Kawakami / Osaka City Univ. S.Yoshida / Chiba Univ. 5 PI’s,
ICRR as hostK. Kasahara / Shibaura Institute of Technology

1.9M

0.7M

0.7M

End of Deployment>>> Start Observation

USD

LHCｆ プロジェクト（特定領域 TA) 代表 村木

モンテカルロ計算に頼らざるを得ない最高エネルギー宇宙線観測のエネルギー決定に対して実験的な裏づけを与える。
7 TeV x 7 TeVの衝突型加速器 (CERN-LHC)による前方散乱粒子の測定により、1017eVにおける2次粒子の最前方領域でのエネルギー分布を測定することにより、シミュレーション計算で必要なハドロン相互作用モデルを決定する。

測定器の概念図EUSO mission

EUSO Concept•遠方 、 大広角(60°) Æ 広大な検出エリア– ~4.5x105 km2 sr•宇宙線観測器として最良•宇宙線バーストに対し3000倍の感度（AGASA）–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•全天観測–南北半球にわたる均一な観測が可能
国際宇宙ステーション軌道のおかげ!!

•地上観測と相補的観測

EUSO FOVEUSO~ 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（1020eV以上）AGASAEUSO望遠鏡の構造
信号処理系

焦点面構造体焦点面検出器
QuickTimeý Ç²T IFF Åià èkÇ»Çµ Åj ê Lí£ÉvÉ çÉO ÉâÉ ÄÇ™Ç±ÇÃ És ÉNÉ`ÉÉÇ¾ å©ÇÈÇžÇ½ Ç…ÇÕïK óvÇ-Ç ÅBFresnel Lens 2
2.5m口径絞り

光学系
QuickTimeý Ç²
T IFF Åià èkÇ»Çµ Åj ê Lí£ÉvÉçÉO ÉâÉÄÇ™Ç±ÇÃÉs ÉNÉ`ÉÉÇ¾ å©ÇÈÇžÇ½ Ç…ÇÕïKóvÇ-Ç ÅBFresnel Lens 1

各国の状況
欧州：
Phase-A Study 成功裏に終了
2005年春からPhase-B Study 開始予定

日本：Phase-B実行中
日本におけるPhase-A研究終了
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

FY2009-11 ??

EUSO全体に必要な費用
総額123 M €各国の分担金・欧州 68 M €EUSO望遠鏡の構築、EUSO打ち上げ費用等
・日本 16 M €光電子増倍管、HVの開発と供給等
・米国 36 M €フレネルレンズの開発と供給等
・他

3M€
詳しくは p36

High Energy Neutrino Astrophysics

black holeradiationenveloping
black hole

Cosmic Hadrons are right HERE!!

You cannot expect too many ν!
pγ(p,n) π2γ

TeV/EGRET
observations !!

µνeννCosmic Ray
observations!

Synchrotron
cooling
You cannot expect too high energies

The GZK Neutrino

Shall we Dance?

Who are we ?
BartolBartolResearch
ResearchInst,Inst,Univ
UnivofofDelaware,Delaware,USA
USA Univ.
Univ.ofofAlabama,
Alabama,USA
USA
Pennsylvania
StateUniversity,
USA
Clark-Atlanta
University,
Pennsylvania State University, USA
Clark-Atlanta University,USA
USA
University
Univ.
UniversityofofWisconsin-Madison,
Wisconsin-Madison,USA
USA
Univ.ofofMaryland,
Maryland,USA
USA
University
IAS,
UniversityofofWisconsin-River
Wisconsin-RiverFalls,
Falls,USA
USA
IAS,Princeton,
Princeton,USA
USA
LBNL,
Berkeley,
USA
University
ofKansas,
LBNL, Berkeley, USA
University of Kansas,USA
USA
UC
Southern
UCBerkeley,
Berkeley,USA
USA
SouthernUniv.
Univ.andandA&M
A&MCollege,
College,Baton
BatonRouge
Rouge
UC
Irvine,USA
UC Irvine, USAChiba University, Japan
Chiba University, Japan

University of Canterbury,
University of Canterbury,
Christchurch, New Zealand
Christchurch, New Zealand

Universidad Simon Bolivar, Caracas,Venezuela
Université
UniversitéLibre
LibrededeBruxelles,
Bruxelles,Belgium
Belgium
Vrije
Universiteit
Brussel,Belgium
Vrije Universiteit Brussel, Belgium
Université
UniversitédedeMons-Hainaut,Mons-Hainaut,Belgium
Belgium
Universität
Mainz,
Germany
Universität Mainz, Germany
DESY-Zeuthen,
DESY-Zeuthen,Germany
Germany
Universität
UniversitätWuppertal,
Wuppertal,Germany
Germany

UppsalaUppsalaUniversitet,
Universitet,Sweden
SwedenStockholm
universitet,
Stockholm universitet,Sweden
SwedenKalmarKalmarUniversitet,Universitet,Sweden
SwedenImperial
College, London, UK
Imperial College, London, UKUniversity
UniversityofofOxford,Oxford,UK
UK
Utrecht
UtrechtUniversity,
University,Utrecht,
Utrecht,NL
NL

1200 mIceTopIceTop
160 tanksfrozen-water tanks
2 OMs / tankFirst year deployment (Jan 2005)
4 IceCube strings (240 OMs)
8 IceTop Tanks (16 OMs)

IceCube
AMANDA

IceCube80 strings
60 OMs/string
17 m vertical spacing
125 m between strings

IceTop Tank deployed in 2004
10” Hamamatsu R-7081

Theoretical bounds and future
DUMAND test string
FREJUS

MACRO

opaque for neutronssatmo

NT-200AMANDA-97

cpheri

AMANDA-00
AMANDA-II

MPR
MPR
neutrons can escapeÅNT-200+

νµW&B
W&B

IceCubeMannheim, Protheroe and Rachen (2000) – Waxman, Bahcall (1999)
Ë derived from known limits on extragalactic protons + γ-ray flux

IceCube EHE ν Sensitivity
90% C.L. for 10 year observation

Published in Phys. Rev. D

S.Yoshida, R.Ishibashi, H,Miyamoto, PRD 69 103004 (2004)

~ Sky Maps

2 years : 959 events

3 years : 1403 events

12

Grid Search Results
2000-01

2002

17

Sensitivity to ν/γ ratio for Mrk421¶

Dec 1999 - May 2000 period of relatively low TeV γ emission: 131 hours
Nov 2000 - May 2001

"flare" state: high TeV γ emission: 255 hours¶F.Aharonian et al., A&A 393, 89-99 (202)Low state:

Mrk 421 sensitivity (AMANDA)

can be compared to ourbest upper limit(sensitivity shown here)
Fit of the measured
spectrum from HEGRA(Low)
Allowed range for theemitted flux
AMANDA sensitivity

about factor 2

IceCube sensitivity

Correction for extragalactic γ absorption¶:
TeV γ-ray spectra aremodified by red-shiftdependent absorption
by intergalactic IR-UV
background¶O.C.De Jager & F.W.Stecker, Astrophy.J. 566 (2002), 738-743

Construction: 11/2004-01/2009
GridNorth
100 m
FY06:16

FY05:12

AMANDA

FY04:6

FY07:16

South PoleSPASE-2
FY08:16

FY09:14

DomeSkiway

Right now at the pole

IceCube …. A part of NSF’s MRE (Major Research Equipment) Budget
The Bush Administration requesting MRE $202.3M(60.2% Increase) for FY2004.
ALMA $50.8M request (FY04)
IceCube $60M request (FY04)
IceCube Funding, by Phase$M

Concept/Development

Implementation

Operations & M aintenance$70$60$50$40$30$20$10$02000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013
Fiscal Year

Japan Group
科研費 (~$0.5M “完全”検出器製作費、人の雇用)Summary
Highest Energy Cosmic Ray study sees its
highlight time!
Telescope Array (FY2004- full Operation FY2007)
Auger (FY2003- full operation FY2007?)

High Energy Neutrino astrophysics becomes
REAL observational science
IceCube (FY2004- full operation FY2009)ANTARES, Bikal, NESTOR etc…

z Space projects like EUSO, CALET will expand
cosmic ray physics horizon!
次世代天文学