Cherenkov Telescope
Array (CTA) Project
戸谷 友則（京都大学宇宙物理学教室）

第１０回高宇連研究会「高エネルギー宇宙物理学の最新成果と将来計画」
平成２２年３月８−１０日

宇宙科学研究所

Outline

CTA 計画の概要と現状
日本チームの取り組み

2

ＣＴＡ: 次世代 高エネルギーガンマ線観測施設
MAGIC Phase II (MAGIC-I + MAGIC-II) in 2009

>1000 sources will be discovered

CTA

HESS Phase II (HESS + 28m Telescope) in 2010

Astronomers in EU
JAPAN, US

ＣＴＡ: 次世代 高エネルギーガンマ線観測施設
MAGIC Phase II (MAGIC-I + MAGIC-II) in 2009

>1000 sources will be discovered

CTA

HESS Phase II (HESS + 28m Telescope) in 2010

Astronomers in EU
JAPAN, US

ＣＴＡ: 次世代 高エネルギーガンマ線観測施設
MAGIC Phase II (MAGIC-I + MAGIC-II) in 2009

FERMI

HESS Phase II (HESS + 28m Telescope) in 2010

Astronomers in EU
JAPAN, US>1000 sources will be discovered

CTA

目標達成感度

SystematicError ∝B.G.
MAGIC-II

50hrs∝(AT) -1∝(AT) -1/2

Background Limited

Signal Limited

目標達成感度

SystematicError ∝B.G.
AGNs, Pulsars
GRBs

MAGIC-II

50hrs∝(AT) -1
Cosmic ray sources
Knee in gamma∝(AT) -1/2
Background Limited Deep TeV Survey~1 mCrab

Signal Limited

観測対象 ＆ サイエンス

観測対象 ＆ サイエンス

SNRsPulsars
and PWNe

Micro quasars
X-ray binaries

観測対象 ＆ サイエンス

SNRsPulsars
and PWNe

Micro quasars
X-ray binaries

AGNs

GRBs

観測対象 ＆ サイエンス

SNRs

Origin ofcosmic rays

Pulsars
and PWNe

Micro quasars
X-ray binaries

Dark matter

AGNs

Space-time& relativity

GRBs

Cosmology

Kifune Plot

GLAST
AGILE

~3000 sourcesby GLAST, AGILE

Kifune Plot

GLAST
AGILE

~3000 sourcesby GLAST, AGILE~1000 sourcesby CTAＣＴＡ 仕様・パラメーター
観測エネルギー領域: 20-30GeV ~ 100TeV

20-30GeV  遠方の活動銀河核(z<2)の研究、系外宇宙線起源、EBL 背景
放射光密度の測定(星形成史）
100TeV  銀河宇宙線源の研究

10倍の感度向上 (HESS, MAGICから）


観測される天体数30倍(1000-2000)
感度 ~1mCrab

3倍の角度分解能

Better morphological study

全天観測
北半球：20-30GeV ~ 1TeV (mainly extragalactic science)
Several 23m class telescopes + some 12m class telescopes

南半球：20-30GeV ~ 100TeV (galactic + extragalactic science)
Several 23m class telescopes + many 12m class telescopes + some 6m telescopesA possible option:
Mixture of telescope types
Some central big telescopes
Many Medium + Small Telescopes

ＣＴＡ候補地 （北、南 2 stations）
One observatory with two sites
operated by one consortium

Mainlyextragalacticscience

Galactic plus
extragalacticscienceDesign Study started
Milestones, tasks are defined in each WP
WP1
WP2

MNG
PHYS

Management of the design study
Astrophysics and astroparticle physics

WP3
WP4
WP5
WP6
WP7
WP8
WP9
WP10
WP11
WP12MCSITE
MIR
TEL
FPI
ELEC
ATAC
OBS
DATA
QA

Optimization of array layout, performance studies and analysis algorithms
Site evaluation and site infrastructure
Telescope optics and mirror
Telescope structure, drive, control
Focal plane instrumentation, mechanics and photo detectors
Readout electronics and trigger
Atmospheric monitoring, associated science & instrument calib.
Observatory operation and access
Data handling, data processing, data management and access
Risk assessment and quality assurance, production planningタイムスケジュール

CTA preliminary M.C. StudyImpact of Pixel size

1~2 arcmin

Optimization is on-goingScientific potential of CTA
About 30 sources are now identified as VHE gammasources.


GLAST will see ~3000 of GeV sources around 2010
Our target in VHE Energy~100 VHE sources in 2010 by HESS-II and MAGIC-II~1000 VHE sources in 2020 by CTA

CTA Sensitivity must be 10 times better than HESS, and MAGIC

Importance of all sky observatory  full sky survey 
relatively large FOV is favored

Extend HESS galactic plane survey to entire sky

Great success!!
HESS の銀河面サーベイ

Guaranteed sources

?
SNRs

PWNe

Micro quasars
X-ray binaries

Un-ID sources
Dark Sources

Pulsars

Galactic sources200~400 sources with CTA

Where is PEVATRON???

Guaranteed sources

?
SNRs

PWNe

Micro quasars
X-ray binaries

Un-ID sources
Dark Sources

Pulsars

Galactic sources200~400 sources with CTA

Where is PEVATRON???

Guaranteed sources

27 sources (2 x FR-I, 24 BL Lac(HBL, IBL, LBL), 1 x FSRQ)~800 sources with CTA

ＥＢＬ（背景輻射）との衝突によるガンマ線吸収
blazarExtragalactic Background
LightγVHE

γEBLe+e-IACT相対論・量子重力理論の検証
If Gravity is a Quantum theory,
at a very short distance it may show a very complex“foamy” structure due to quantum fluctuation.
Use gamma ray beam from AGNs/GRBs
to study the space-time structure
Energy 1000GeV ~ 10-16EPl
Distance 100~1000Mpc (1016-17sec)
Visible time delay ~ 1 - 10 sec

AGN からのガンマ線短時間変動
Mrk501 by MAGIC, PKS 2155 by HESS
Mrk501(z=0.03) MAGIC observation

PKS2155(z=0.116) HESS observation

MQG1 > 0.26 x 1018GeV

MQG1 > 0.72 x 1018GeV

250-600GeV

600-1200GeV>1200GeV
With CTA, we can have ~10sec time resolution
for the fast variation

Possible New Classes of Sources

Galactic Diffuse

GRBs

UHECR Sources

Starburst galaxies Clusters of galaxies
Galaxy mergers

Dark Matter Annihilation

Possible New Classes of Sources

Galactic Diffuse

GRBs

UHECR Sources

Clusters of galaxies

Dark Matter Annihilation

Published in ScienceFor pulsar studies
the low threshold energy is essential
MAGIC result: Published in Science in 2008
By measuring the spectrum around cutoff
or at high energies is important to distinguishthe emission model
Polar cap: double exponent
Outer gap: simple exponent

Gamma ray bursts

Hypernova!
GRB Blast shock wave

Binary neutron stars

Gamma ray bursts

Hypernova!

Binary neutron stars

GRB Blast shock waveγGamma ray bursts

Hypernova!

Binary neutron stars
After glow

GRB Blast shock wave

γXγ

OpticalRadio

Gamma ray emission processfrom DM Annihilation
Dark Matter Annihilations

Bergstrom et al.

Complimentarity with the direct
search experiment
Expected sensitivity
by Fermi

Telescope structures:
HESS / MAGIC / HEGRA as prototypes

MAGIC: 17m

HESS II: 28m

H.E.S.S. 12m

HEGRA: 4m

MAGIC vs...
MAGIC: 17m

MAGIC vs...
MAGIC: 17m

RX-78-2: 18.0m, 43.4t

Mirrors must be cheap andgood quality

Replication techniques probably
more promising for large-scale
low-cost production, comparedto grinding / milling of mirrors

BACKING SHEETHONEYCOMB
REFLECTING SHEETMOLD

High QE photosensors
Hamamatsu
4 x 5x5 mm2

MPI+ MEPhIMPI Halbleiterlabor Munich

Hamamatsu &Photonis reach
45% QE==> 40% PDE

GaAsP HPD:50% PDE

SiPM
About 60% effective PDE will
be realistic

Analogue Ring Samplers
economic high performance readout

DRS3 (--> DRS4)

SAM

12 x 1024 samples
up to 5 Gsamples/s
11.5 bit effective range
450 MHz bandwidth
25 mm22 x 256 samples
up to 2 Gsamples/s
12 bit effective range
350 MHz bandwidth
11 mm2

Data center andoperation center for CTA

Challenges
Huge data rates(~PBytes/yr)
European space operations center Observatory
Automatic calibration and analysis for users

Organization structure
Array operation center Data handling and analysis center Science operation center

Lots of man power (local technician, operationcrew, professional data analyzers for the scienceoperation)

Recommendations and supports

ASTRONET Roadmap
ASPERA Roadmap
Magnificent Seven

High Priority project
Ground based projects

日本で言うと学術会議
Phys & Technology の中で、５プロジェクトのみ支援。CTA はその一つ

総予算規模：150 MEuroCTA Japan 組織体制✦

PI
戸谷 友則（京都大学）(PI は任期二年程度でグループ内公選制の予定）✦

Chair of Institutional Panel✦

各 work package coordinators✦✦

柳田昭平（茨城大学）✦ELEC (電子回路）

窪秀利 （京都大学）✦FPI （焦点面検出器）

折戸玲子 （徳島大学）✦MC (Monte Carlo)

吉越貴紀（ICRR）✦

PHYS (Physics)

井岡邦仁 (KEK)

アドバイザー✦

手嶋政廣 (Max Planck Institute for Physics)✦

田島宏康 (SLAC→名古屋大学)

総メンバー数４０名以上✦(CTA Japan ホームページをご覧ください http://cta.scphys.kyotou.ac.jp/)

CTA Japan が目指すもの✦

ヨーロッパ全体に対して10-20% 程度の貢献✦

予算規模 20-40 億円

✦

人的貢献

✦

>50 人 c.f. ヨーロッパでは500人規模

単に予算だけでなく、Science, Mirror, Camera, Electronics で本質的に重要な人的貢献を目指す✦

CTA 全体の建設で膨大なマンパワー必要✦（もちろん開発で本質的貢献があればさらに良い）✦層の厚い理論グループ（すでに work package で存在感）✦

PMT については浜松の advantage

なぜ、CTA Japan か？

高エネルギー宇宙物理の将来と CTA✦「明確」かつ「多様」かつ「確実」な科学的重要性✦

天体数が数十から１０００へ！
✦

発見（革命）から、発展の時代へ

高エネルギー宇宙物理の将来と CTA✦「明確」かつ「多様」かつ「確実」な科学的重要性✦

天体数が数十から１０００へ！
✦

発見（革命）から、発展の時代へ

extrasolar planets

高エネルギー宇宙物理の将来と CTA✦「明確」かつ「多様」かつ「確実」な科学的重要性✦

天体数が数十から１０００へ！
✦

発見（革命）から、発展の時代へ

革命の時代
extrasolar planets （明治維新）

高エネルギー宇宙物理の将来と CTA✦「明確」かつ「多様」かつ「確実」な科学的重要性✦

天体数が数十から１０００へ！
✦

発見（革命）から、発展の時代へ

発展の時代（明治時代）
革命の時代
extrasolar planets （明治維新）

CTAの時代へ✦

現在の高エネルギー宇宙物理学は、フェルミを中心に回っている✦次の時代は CTA が中心になる✦

日本として何らかの形で参加することが重要✦✦✦

ASTRO-H とのシナジー理論コミュニティとしても世界最新データにアクセスしたい理論を含めた幅広い高エネルギー宇宙物理コミュニティで All Japan の形の参加を！

のぼってゆく坂の上の青い天にもし一朶（いちだ）の白い雲がかがやいているとすれば、それのみをみつめて坂をのぼってゆくであろう。
司馬遼太郎 「坂の上の雲」

これまでの活動✦

PHYS グループを中心に、欧州での CTA ドキュメント作成のサイエンス部分に貢献✦

Design Study に関する覚書 (MoU) 締結に参加（昨年１１月）✦

CTA Japan Consortium として正式に参加✦

組織体制を刷新✦

ホームページ開設✦✦

http://cta.scphys.kyoto-u.ac.jp/

予算申請✦

科研費、宇宙線研共同利用など✦

デザインスタディのための予算、旅費など

今後の活動、方向✦✦✦

各 work package のコーディネーター中心に、CTA デザインスタディに積極的に貢献
最終的に、数十億規模の予算獲得の上、CTA 本格建設に参加を目指す
新メンバー随時大歓迎✦

特に若手の実験屋さん