Ultra-high energy cosmic rays:
status and prospects in 2015

ICRR seminar, Nov. 25, 2015
M. Fukushima, ICRR

Experiments• Haverah Park, AGASA, FY/HiRes, Yakutsk• Auger: Pierre Auger Observatory (PAO)
TA: Telescope Array experiment• TAx4, Auger Prime, K-EUSO• TALE, HEAT, Tunka/-REX, NICHE, LOFAR,AERA, ICETOP• JEM/EUSO, super Ground Array2

TA: construction (2003 - ), taking data (2007 - ), ~7 years of data3

Auger: construction (2000 - ), taking data (2004 - ), ~10 years of data

P.L. Ghia,ICRC 2015, Highlight4

Calorimetric Measurement of Air Shower~1020 eV primary cosmic ray:
Energy, Direction and Particle Species

SDSurfaceDetector

AirFluorescence

FDFluorescence
Detector

Charged Particles* Cherenkov Light* < 100MHz Radio, (> GHz Radio)

5Telescope Array (TA)~700 km2 by 507
Plastic Scintillator SDs
and 3 FD stations
Utah, USA
39o N, 113o W
1400 m a.s.l.

6

Fluorescence Detector
FD@MD

TALE FD
FD@BRM• -HV operation and DC coupled• 12-bit 40 MHz FADC -> 14-bit 10MHz• Online night-sky BG subtraction• 5-6 σ signal recognition @ each PMT• 5 or more adjacent PMTs for trigger• 30 ms readout dead time per trigger• ~2 Hz trigger (~7Hz by freq. airplanes)
7

FD Event Reconstruction (monocular, hybrid, stereo)
Hybrid Timings

SDs

Stereo Camera Images

FDs
Stereo Longitudinal Profiles

8Surface Detector

12-bit 50 MHz H/L FADC, 16-bit equiv.
GPS time stamp (~10ns)
0.3 MIP 2-fld (top x bottom) wf buff.
-> 700 Hz histo. for gain calibration• Trigger by 3 MIP, 3 SDs in 8 μs coincidence-> All wf readout by 2.4 GHz radio LAN• Pipelined (no dead time)9• Average 7 Watt by solar panel + battery•••

SD Event Reconstruction• S(800m) -> Energy by MC (QGSJET2-03)• Zenith attenuation by MC (not by CIC)
10

Pierre Auger Observatory~3000 km2 by ~1600 water tank SDs, 4 FD stations
Marlargue, Argentina, 350 S 690 W, ~1300 m a.s.l.

P.L. Ghia, ICRC 2015, Den Haag, Highlight1111

P. L. Ghia, ICRC 2015, Den Haag, Highlight12

Energy Spectrum
Ankle and Cutoff
Cutoff Energy と形状の違い
Astrophysical Pictures?

13

Energy Spectrum:Fly’s Eye (1993), AGASA(1998) and PAO (2013)

P. Sokolsky, UHECR2014,Springdale, Summary

14

SD Event Reconstruction• S(800m) -> Energy by MC (QGSJET2-03)• Zenith attenuation by MC (not by CIC)
15

SD Energy Rescaling
551 Hybrid Events: ESD vs EFD

Log10 (EFD /eV)

We rescale MC-S(800m) based
SD energy by FD energy:

MC-S(800)

ESD= E SD/ 1.2721% energy scale error
1019.6 eV••••

Telescope Parameters
Fluorescence Yield
Atmospheric Attenuation
Missing Energy

Log10 (ESD /eV)
T. Abu-Zayyad et al.
ApP 61(2014)9316

SD 7-year Spectrum (E3 x Diff. Flux)

C. Jui, ICRC 2015,Den Haag, Highlight17

SD Energy and Angular Resolution

D. Ivanov,APS 2014

CORSIKA / QGSJET2-03 used18

SD 7-year Spectrum fitted with extra-Galactic Proton
Cosmic Ray Generation
Emax =1021eV(stat. err. only)χ2/dof = 27.6/17
χ2/dof = 24.5/17

E. Kido, ICRC 2015, Den Haag, #258
V. Berezinsky, A. Gazizov and S. Grigorieva, PRD 74, 043005(2006)
TransportCR by O. E. Kalashev and E. Kido, JETP 147 (2015) 917 andCRPropa by K.-H. Kampert et al., ApP 42 (2013) 41

CR Propagation and E-Loss
Photon Targets:
CMB + IRInteractions:Photoprod. + Pair Creation
No B field (Gal. or ex-Gal.)
4-parameter fit
1. X: Energy and 2. Y: Flux
3. Power index: p
4. Cosmological evolution: m19

Allowed Region of (p, m) for uniform source~3% sys. err. added in flux,
mainly from acceptance.
Fit results

p = 2.18 +0.08 -0.14
m = 6.8 +1.6 -1.1m

Δ log E =- 0.04 +0.04 -0.03(-9%)χ2 min/NDF = 18.0 / 17P
E. Kido, ICRC2015,Den Haag

For CRs originated within z ~ 0.7* Acc. power index~ Fermi 1st order (DSA)* Strong evolution 20

S38 Energy Estimator vs FD energy

A. Schulz, ICRC 2013,
Rio de Janeiro

1019.6 eV21

Auger SD Energy Spectrum, 2015

: 1018.68 eV: 1019.62 eV

I. Valino, ICRC2015, Den Haag22

Auger Spectrum and Xmax fitted with p, He, N & Fe
Cosmic Ray Generation
E-p with exp. cutoff
exp(1-E/Zi Rcut)
Zi : p, He, N & Fe
No evol. (fit only E > 1018.7eV)
Propagation and E-Loss
Photon: CMB, EBLInteractions: + photonucl.
No B fieldParameter Fit
inc. Hadronic Int. Model

Best fit with
p = 0.94 + 0.09 -0.10
Rcut = 1018.67±0.03 eV
p/He/N/Fe =0, 62, 37, 1% at 1018eVBest MC: EPOS-LHC
23

A. Di Matteo, P. Ghia , ICRC 2015, Den Haag

TA-SD (7-year) compared with
Auger ICRC 2013 +8.5% in energy scale
1019.6 eV50%ΔlogEE== 0.2
Δ log

H. Sagawa, ICRC 2015,Den Haag24

More Muons counted than AS simulation expects
Very inclined HE hybrid events: E > 1018.6 eV, 620 < Θ < 800

M. Unger, UHECR2014, Springdale
V. Verzi, ICRC2015, Den Haag, Rapporteur Talk,
L. Collica, ICRC 2015, Den Haag

Rμ= 1 : 107 muons on the ground at θ=700

25

Composition
Auger: p > He > N, transition?
TA: p and / or He, static?

26

FD Event Reconstruction (monocular, hybrid, stereo)
Hybrid Timings

SDs

Stereo Camera Images

FDs
Stereo Longitudinal Profiles

27

<Xmax> and MC Predictions

R.U.Abbasi et al.,ApP 64(2015) 49-62

1018.3eV1019.3eV

Xmax Distribution (Data vs p/Fe MC : QGSJET2-03)
Log E > 18.2

Log E: 18.2 - 18.4

Log E: 18.4 - 18.6

Log E > 19.0
Log E: 18.6 - 18.8

R.U.Abbasi et al., ApP 64(2015) 49-62

Log E: 18.8 - 19.0

291018.3eV

D.Ikeda & W. Hanlon, ICRC2015
Den Haag, #906

1019.3eV30

logE > 18.4

XMAX 分布logE =18.4 – 18.6

19.0 – 19.2

18.6 – 18.8

19.2 – 19.6

18.8 – 19.0

19.6 – 20.0

XCORE
logE > 18.4

Ψ ANGLE

logE > 18.4

NEAR SITE IMPACTPARAMETER

Y. Tameda & T. Stroman,ICRC 2015, Den Haag31

1018.3eV
C. Jui, ICRC 2015, Den Haag, Highlight
J. Belz, ICRC2015, Den Haag

1019.3eV
32

Auger <Xmax> & σ(Xmax) with LE extension by HEAT

1018.3eV
A. Porcelli, ICRC 2015,
Den Haag

1019.3eV1018.3eV1019.3eV33

Auger Xmax Distribution fitted with p, He, N and Fe

A. Aab et al., PRD 90 (2014) 12, 122006

34

1018.3eV1019.3eVFeNHe
P

A. Aab et al., PRD 90 (2014) 12, 122006

35

まとめ‐１：

わかったこと■ 新世代の検出器 TA と Auger は、地表粒子アレイ（SD）と大気蛍光望遠鏡（FD)を使ってUHECR（E > 1018 eV）の観測を行っている。 SDの観測感度（面積）は前世代より一桁大きい。
FDに必要な大気蛍光の理解（発光効率の測定など）も、大きく進んだ。
■ SDによるエネルギー決定精度は、同時観測するFDによる較正で < ~20% （=FDの E 系統誤差）になった。 FDによる Xmax の測定で、平均的な粒子種 (p,…Fe) がわかるようになった。
ただし、E > ~1019.6 eV の領域では、いずれも統計が不十分である。
■ TAとAugerで新しく得られた知見：
１． スペクトル： ~1018eV 以上の領域で、切断（cutoff）と窪み (ankle) の２つの構造が明らかになった。 AugerのECUTOFFは、TAより~40%小さい。
２． 粒子種： 1019.3eVまでの領域は、陽子 and/or ヘリウム。 p / He の差は Xmax の系統誤差より小さい。 Augerでは、p > He への遷移に続いて、1019.3 eV 以上で、中重核 (N) に遷移する兆候がある。 粒子種決定においては相互作用モデルからの不定性が大きい。
３． 異方性と発生源天体： カットオフを超えたエネルギーで、中規模角度スケールの異方性の兆候が見える。 北半球のTAでは、おおぐま座方向に半径200のホットスポット（3.4σ の有意度）。 南半球のAugerでは、Cen A から150以内に過剰がある（ただし p=1.4%）。
４． GZK - ν, - γ： ニュートリノ、ガンマのリミット。 GZK (by proton) まで、あと ~1桁。
■ 以上の観測結果は、ECUTOFFの違いをのぞくと、統計的/系統的不定性の範囲内で、TA と36
Auger で一致する。ECUTOFFの違いが物理なのか、測定の系統誤差なのか、理解できていない。

Anisotropy &Source
E > 1019 eV : dipole?
E > 58 EeV : Cen A?
E > 57 EeV : hot spot
Anisotropy in Spectrum?
37Anisotropy for E > 1019 eV (Auger + TA)

Equatorialcoordinate

99% C.L. upper limit

Dipole amplitude : 7 – 13%
Quadrupole: 7 – 10%

A.Aab et al (PAO+TA), ApJ 794:172 (2014)

O. Deligny, ICRC 2015, Den Haag38

1019.76 eV

Sky Plot of SD 5-year Data （E > 57 EeV, θ < 550）
• 72 events without array border cut (ΔE/E ~20%, ang. res. ~1.7o) Make over-sampling with 20o radius circle
R.U. Abbasi et al.,
ApJ:790:L21(2014)39

Significance Map of Hotspot (r=20o)• 19 events found with isotropic BG of 4.5 events (5.1σby Li-Ma statistics) at R.A.=146.7o, Dec. = 43.2o• Chance probability from Isotropic sky is 3.7 x 10 -4 (3.4 σ)
We generated 100k sets of isotropic 72 events, analyzed the same way as the data,and counted how often we have 5.1σ or more enhancement, anywhere in TA’s FoVwith any angular size of r=15, 20,… 35o. We had 37 such sets out of 100k sets in total.
R.U. Abbasi et al.,
ApJ:790:L21(2014)

Significance Map of Hotspot (r=20o)• 19 events found with isotropic BG of 4.5 events (5.1σby Li-Ma statistics) at R.A.=146.7o, Dec. = 43.2o• Chance probability from Isotropic sky is 3.7 x 10 -4 (3.4 σ)
We generated 100k sets of isotropic 72 events, analyzed the same way as the data,and counted how often we have 5.1σ or more enhancement, anywhere in TA’s FoVwith any angular size of r=15, 20,… 35o. We had 37 such sets out of 100k sets in total.
R.U. Abbasi et al.,
ApJ:790:L21(2014)

Original AGN correlation (Science 2007): “The VCV test
no longer provides a significant indication of anisotropy.”
75Mpc, 3.10, 53EeV, now ~1.9σ
J. Aublin, ICRC 2015, Den Haag

42

K. Kawata, ICRC2015, Den Haag

43

K. Kawata, ICRC 2015 Den Haag

44

TA-SD (7-year) compared withAuger ICRC 2013 +8.5% in energy scale
1019.76 eV

50%ΔlogEE== 0.2Δ log

H. Sagawa, ICRC 2015,Den Haag

45

K. Kawata, ICRC 2015 Den Haag

46

K. Kawata, ICRC 2015 Den Haag

47

K. Kawata, ICRC 2015 Den Haag

48

Anisotropy in Energy Spectrum; on/off SGPT. Nonaka, ICRC2015,Den Haag49

UHENeutrinos &Gammas50

GZK Neutrino, Search and Limit(2004-2013)
IceCube 2015 preliminary
Sensitivity (2008-2013) by A. Ishihara

A. Ishihara, ICRC2015, Den Haag
C. Bleve, ICRC 2015, PRD 91 (2015) 092008

51

GZK Gamma, Search and Limit

UHE Gamma： Select* young shower* containing less muons
G. Rubtsov, ICRC 2015, Den Haag52

まとめ‐１：

わかったこと■ 新世代の検出器 TA と Auger は、地表粒子アレイ（SD）と大気蛍光望遠鏡（FD)を使ってUHECR（E > 1018 eV）の観測を行っている。 SDの観測感度（面積）は前世代より一桁大きい。
FDに必要な大気蛍光の理解（発光効率の測定など）も、大きく進んだ。
■ SDによるエネルギー決定精度は、同時観測するFDによる較正で < ~20% （=FDの E 系統誤差）になった。 FDによる Xmax の測定で、平均的な粒子種 (p,…Fe) がわかるようになった。
ただし、E > ~1019.6 eV の領域では、いずれも統計が不十分である。
■ TAとAugerで新しく得られた知見：
１． スペクトル： ~1018eV 以上の領域で、切断（cutoff）と窪み (ankle) の２つの構造が明らかになった。 AugerのECUTOFFは、TAより~40%小さい。
２． 粒子種： 1019.3eVまでの領域は、陽子 and/or ヘリウム。 p / He の差は Xmax の系統誤差より小さい。 Augerでは、p > He への遷移に続いて、1019.3 eV 以上で、中重核 (N) に遷移する兆候がある。 粒子種決定においては相互作用モデルからの不定性が大きい。
３． 異方性と発生源天体： カットオフを超えたエネルギーで、中規模角度スケールの異方性の兆候が見える。 北半球のTAでは、おおぐま座方向に半径200のホットスポット（3.4σ の有意度）。 南半球のAugerでは、Cen A から150以内に過剰がある（ただし p=1.4%）。
４． GZK - ν, - γ： ニュートリノ、ガンマのリミット。 GZK (by proton) まで、あと ~1桁。
■ 以上の観測結果は、ECUTOFFの違いをのぞくと、統計的/系統的不定性の範囲内で、TA と53
Auger で一致する。ECUTOFFの違いが物理なのか、測定の系統誤差なのか、理解できていない。

Next Step••
•
•

TAｘ４
Auger prime
TALE and other LE detectors
K-EUSO54

まとめ‐２：

物理的描像と、これから■ TAデータはGZKモデルで、Auger データは加速限界モデルで説明できる。
A. GZKモデル： 発生源の特定が期待できる（TAｘ4：ホットスポットの確定と精査）。
実験的には、カットオフ領域で陽子であることの確認が必要。 陽子を1021eVまで加速できる発生源が必要。 P ~2.2 はフェルミ１次加速と良い一致。
B. （Rigidity 依存の）加速限界モデル： 発生源の特定は期待できない（源で鉄）。
実験的には、カットオフ領域で中重核が多いこと・異方性のないことの確認が必要。 Ankle を作る、1018.7eV までの銀河系内（or外）の陽子源が必要。 陽子を加速せず、He/CNO を選択的に加速する、非常にハード（P~1）な発生源が必要。
■ 物理モデルの成否を見分ける多くの実験が始動しつつある （大発展期）。
○ TAｘ４（TAの4倍拡張）： カットオフ領域のスペクトル・粒子種・異方性○ Auger Prime（水タンクにシンチ増設）： 発生源探査、（ECUTOFF問題の理解）○ TALE・HEAT・Tunka/Rex・NICHE・LOFAR・AERA・ICETOP： 1016eV (Knee)まで探査。
発生源の銀河系内外遷移・窪み構造の理解。 電波とチェレンコフ光も参加。
○ K-EUSO （宇宙からの観測）： スペクトルと FLUX は、南北で等方か？
○ IceCube・KM3net（氷床・深海）： GZK Neutrino（~1018eV）の検出○ TAx4, Auger prime:

GZK γ（~1018eV）の検出
55

TAx4 to study cut-off region

H. Sagawa, UHECR2014, Springdale
ICRC 2015, Den Haag

56

TAx4: projected results by simulation
1. ホットスポットを5σ以上で確認

2. ホットスポット領域の粒子成分
H. Sagawa, ICRC 2015, Den Haag

3. 近傍の1020eV超のイベント
57

Auger prime for ev-by-ev composition tag.
Scintillator spectrum in south.

P.L. Ghia, ICRC 2015, Den Haag, Highlight
R. Engel, ICRC 2015, Den Haag, Invited Review

58Wide Range Measurement of Spectrum & Xmax
SD/FD

SD/FD

Cherenkov

by TALE, HEAT, NICHE,Tunka, Tunka-REX,LOFAR, AERA, IceTOP.
Radio

ice tank SDto study from Galactic toextra-Galactic Transition
Several distinct features are
becoming clear in Spectrum &Xmax for 1016 – 1018 eV.
From ICRC 2015, Den Haag contributions

59

K-EUSO to study North-South
Universality of UHECR.

M. Casolino and T. Ebisuzaki,
UHECR2014, Springdale60

まとめ‐３：

何かおかしい！

■ …にもかかわらず、UHECRのつくる空気シャワーはよく理解できていない。
・ TA: ESD ~ EFD x 1.27(エネルギー再較正で ~1.5倍まで？)

・ Auger: 測定された μ 粒子密度が、MC予想の 1.3 - 1.8 倍 （by P.Ghia）シャワー粒子（電磁成分、ハドロン/ μ 成分とも）が、MC予想より広がっている。 加速器
データによるモデル・MCの改善が進んでいるが、現状では限定的な改善。 極高エネル
ギーでのハドロン・原子核相互作用で、見逃していることがあるのか？
■ 見えてきた中・大規模の異方性は、大規模構造 LSS とは少し違う（離れている）ように見える。 なぜVIRGOから来ないのか？
■ GZKカットオフのエネルギーは、なぜ加速限界エネルギーと一致するのか？ 窪みの
エネルギ―が、なぜ系内から系外への遷移エネルギーと一致するのか？
■ 実験装置（カロリメトリ）・データ解析の技術的な点では、水タンクとシンチが、カットオフ以上のエネルギー測定で、なぜこんなに異なる値 （linearity） を与えるのか？
■■■ 解答を与える次世代検出器には、大規模（acceptance）・高機能・低 Systematicsが必要。 UHEニュートリノ・ガンマ線を測定したい。 雷成因や大気科学などの環境科学に貢献したい。 JEM/EUSO / EUSO-next, super Ground Array （world-TA2）。 Multi-Messenger
観測の重要な一員となる。 宇宙における、極高エネルギー粒子・核物理の理解。 粒子線61
天文学のはじまり…

ICRC 2015 Den Haag
CR Air Shower
Rapporteur’s Summaryby Valerio Verzi

K. Kawata, ICRC2015,
Den Haag

V. Verzi. ICRC2015,
Den Haag Rapporteur Talk62

ご清聴ありがとうございました。
最高エネルギー宇宙線、TA への研究所と宇宙線研究分野の皆さまのあついご支援、ありがとうございます。
TAの研究者は、応援に支えられて、これからも頑張って研究を続けます。
63

PAO Spectrum and Xmax, 2nd best solution
Cutoff created by “GZK”, but this is disfavored by 7.5 σ

ソースでE-2 の窒素核なら、カットオフが”GZK(核の光分解)”効果 で説明できるが、<Xmax>, σ(Xmax) を説明できない。
A. Di Matteo, ICRC 2015

64

K.Kotera and A.Olinto, Annu. Rev. Astrophys. 2011.49:119-153

65

M. Ahlers ICRC2015 Multi-Messenger Neutrino Highlight66

まとめ‐１：

わかったこと■ 新世代の検出器 TA と Auger は、地表粒子アレイ（SD）と大気蛍光望遠鏡（FD)を使ってUHECR（E > 1018 eV）の観測を行っている。 SDの観測感度（面積）は前世代より一桁大きい。
FDに必要な大気蛍光の理解（発光効率の測定など）も、大きく進んだ。
■ SDによるエネルギー決定精度は、同時観測するFDによる較正で < ~20% （=FDの E 系統誤差）になった。 FDによる Xmax の測定で、平均的な粒子種 (p,…Fe) がわかるようになった。
ただし、E > ~1019.6 eV の領域では、いずれも統計が不十分である。
■ TAとAugerで新しく得られた知見：
１． スペクトル： ~1018eV 以上の領域で、切断（cutoff）と窪み (ankle) の２つの構造が明らかになった。 AugerのECUTOFFは、TAより~40%小さい。
２． 粒子種： 1019.3eVまでの領域は、陽子 and/or ヘリウム。 p / He の差は Xmax の系統誤差より小さい。 Augerでは、p > He への遷移に続いて、1019.3 eV 以上で、中重核 (N) に遷移する兆候がある。 粒子種決定においては相互作用モデルからの不定性が大きい。
３． 異方性と発生源天体： カットオフを超えたエネルギーで、中規模角度スケールの異方性の兆候が見える。 北半球のTAでは、おおぐま座方向に半径200のホットスポット（3.4σ の有意度）。 南半球のAugerでは、Cen A から150以内に過剰がある（ただし p=1.4%）。
４． GZK - ν, - γ： ニュートリノ、ガンマのリミット。 GZK (by proton) まで、あと ~1桁。
■ 以上の観測結果は、ECUTOFFの違いをのぞくと、統計的/系統的不定性の範囲内で、TA と67
Auger で一致する。ECUTOFFの違いが物理なのか、測定の系統誤差なのか、理解できていない。

まとめ‐２：

物理的描像と、これから■ TAデータはGZKモデルで、Auger データは加速限界モデルで説明できる。
A. GZKモデル： 発生源の特定が期待できる（TAｘ4：ホットスポットの確定と精査）。
実験的には、カットオフ領域で陽子であることの確認が必要。 陽子を1021eVまで加速できる発生源が必要。 P ~2.2 はフェルミ１次加速と良い一致。
B. （Rigidity 依存の）加速限界モデル： 発生源の特定は期待できない（源で鉄）。
実験的には、カットオフ領域で中重核が多いこと・異方性のないことの確認が必要。 Ankle を作る、1018.7eV までの銀河系内（or外）の陽子源が必要。 陽子を加速せず、He/CNO を選択的に加速する、非常にハード（P~1）な発生源が必要。
■ 物理モデルの成否を見分ける多くの実験が始動しつつある （大発展期）。
○ TAｘ４（TAの4倍拡張）： カットオフ領域のスペクトル・粒子種・異方性○ Auger Prime（水タンクにシンチ増設）： 発生源探査、（ECUTOFF問題の理解）○ TALE・HEAT・Tunka/Rex・NICHE・LOFAR・AERA・ICETOP： 1016eV (Knee)まで探査。
発生源の銀河系内外遷移・窪み構造の理解。 電波とチェレンコフ光も参加。
○ K-EUSO （宇宙からの観測）： スペクトルと Flux は、南北で等方か？
○ IceCube・KM3net（氷床・深海）： GZK Neutrino（~1018eV）の検出○ TAx4, Auger prime:

GZK γ（~1018eV）の検出
68