大石 理子, 井川大地A, 石尾一馬, 荻野桃子, 櫛田淳子A, 郡司修一B,小島拓実, 斎藤隆之C, 榊直人D, 西嶋恭司A, 平井亘A, 増田周C,
吉越貴紀 他 CTA-JAPAN コンソーシアム
東大宇宙線研、東海大理A、山形大理B、京大理C、KITD

 PeV領域近傍の宇宙線化学組成計測

 Direct Cherenkov光を用いた宇宙線電荷計測の原理
 DC検出手法とハドロン相互作用モデルの影響
 過去のIACTでの測定結果

 CTAでのDirect Cherenkov光観測• シミュレーション中での大気モデル• シミュレーション中でのアレイ配置• Direct Cherenkov光イベントの選別方法:H.E.S.S. 解析• Direct Cherenkov光ピクセルのタイミング特性• 鉄テストデータへのH.E.S.S. like解析条件の適用

 まとめと今後の課題 宇宙線スペクトルの3PeV近傍”knee”構造が系内天体での加速限界の反映であるならば、エネルギーが高くなるにつれ電荷の大きい重い元素の比率が増加すると予想される
 PeV近傍の重元素スペクトル計測は、低エネルギー(<PeV)領域は飛翔体によって、高エネルギー(>PeV)領域は空気シャワーアレイ実験によって担われている 化学組成の測定結果は実験ごとにばらつきが大きいのが現状

PeV

http://cerncourier.com/cws/article/cern/28675
電荷分解

有効面積

飛翔体

良好

小地上EASアレイ

困難大宇宙線粒子

 一次粒子が大気上層部で放出する
Cherenkov光を地上の望遠鏡で集光・検出
単位長さあたりのチェレンコフ光子放出数:

非弾性散乱

𝑑𝑁𝑐
= 2𝜋𝑍 2 𝛼𝑑𝑠

sin2 𝜃𝑐
𝑑𝜆𝜆2

𝑒2
4𝜋𝜀0 ℏ𝑐cos𝜃𝑐 =α:1𝑛𝛽

 単位長さあたり発光量は電荷数Zの二乗に比例することを用いて、地表での検出光量から親粒子の電荷数を測定可能
地上望遠鏡を使用したDirect
Cherenkov光検出手法の概要

 この地上の反射鏡を用いた観測手法の初めての定量的評価は Kieda et al. (2001)による

 DC光の焦点面検出器上での形状粒子の到来方向

H.E.S.S.望遠鏡仕様でのシミュ
レーションによる 実電荷・再構築電荷との関係

 DC光の分布は非常にコンパクト(0.01)

DC光 シャワー像に対し到来方向に近い方向に現れる

 親粒子のエネルギー決定は二次粒子シャワー由来のEASチェレンコフ光量を用いて行われる。
（光量∝エネルギーの関係性）
 DC光とEAS光は上記のように焦点面上で分離した位置関係にないため、高エネルギー側ではEASチェレンコフ光がDCチェレンコフ光の測光に対して雑音となる。→測定可能エネルギーの上限の決定要素(1 PeV)
 チェレンコフ光の空間的・時間的分解能向上は雑音と信号の分離に有用に働く

Aharonian et al., (2007)
IACTはガンマ線シャワー観測に最適化された装置であり、電荷分解能はこの装置特性に大きく影響を受ける エネルギー推定はEAS光を使用するため、シミュレーション中のハドロン相互作用モデルの不定性の影響を受ける
 Direct Cherenkov光放出は非弾性散乱を起こした時点で終了する→有効面積の推定はシミュレーション中の非弾性散乱断面積の不定性の影響を受ける
 CTAでのhadron interaction modelのデフォルト設定は (>80GeV /nucleonの領域で) QGSJET-II-03
左記断面積と大気モデル（後述）
QGSJET のAir-宇宙線原子核の非弾性散乱断面積を用いて計算されたFirst interaction height 分布

鉄(z=26)酸素(z=8)CORSIKA Physics Guide H.E.S.S.による観測 Aharonian et al., Phys. Rev. D 75 042004 (2007)
 12m口径望遠鏡4台の系
 2004年-2006年に取得されたデータのうち z<22 degのものを選択→ 正味観測時間 357 hours, DC event 解析（後述）後 1899 events
4台のH.E.S.S.望遠鏡に同時にDirectCherenkovが入ったイベント例

H.E.S.S.によるsub-PeV領域の鉄スペクトルの測定結果と飛翔体実験結果の比較

2007年時点でこのエネルギー領域
では最高精度の計測

 CTAのシミュレーションコードはCORSIKAに装置記述部(sim_telarray)を組み合わせたもの
 CORSIKAに候補サイトごとに外部大気モデルを取り込んでいる 海抜 0-30kmまでは1km刻み､30-50kmは2km刻み、50-120kmは5km刻みのデー
タをinterpolation
 CORSIKA中のCherenkov光発光高度の刻みは h>10kmの領域で約12cmと細かい

外部大気モデル中の屈折率と海抜高度の設定値

Aarの大気モデル下でのDirect
Cherenkov光の発生高度と地表面(1640m a.s.l.)でのリング半径の関係
鉄(z=26)

 Direct Cherenkov放射部分のみを取り扱うsimple なsimulatorを作って光量を試算
First interaction pointの分布を取り込んだ地表面でのDirect Cherenkov
光の積算分布(Iron z=26, E冪乗スペクトル)

コア位置からの距離と一定半径円内で積分した光量(Iron, 17TeV)

D=23m
D=12m
D=4m

 CTAアレイの構成の詳細 →前の講演
 MST(中口径望遠鏡)がH.E.S.S.望遠鏡のサイズに相当 台数4 →25→有効面積の拡大
 LST(大口径望遠鏡)の23m反射鏡 → 集光力は H.E.S.S.の3.6倍、より軽い元素(Siなど）の検出確率が向上する
y(m)CTAのシミュレーションコード(“Production 2”
Phase) 中での望遠鏡配置(複数のアレイ候補の重ね合わせ）*1部の望遠鏡は省略されている

この配置でのテスト生成データ(z=20 deg)

LST

MST

DCSST

x(m)

SCSST

Parameter

Set valueSite

Aar (1640m a.s.l.)

Particle

Iron (z=26, A=56)

Energy5TeV – 1 PeV,
power-law(-2.0)

Core scatter area

<850m

Arrival direction

0-10 uniform

LST

DC pixel

MST

DC pixel

d=73m

d=86m

2.0 deg

4.0 degImage cleaning後 aspect ratio(=image_width/image_length)<0.75のイベントを選択
Parameter

Cut Condition

𝑄𝐷𝐶<0.14ln∆𝑑𝑖𝑟𝐷𝐶<0.45∆𝐷𝐶𝑐𝑜𝑔>0.17<0.91∆⊥𝐷𝐶<0.23

𝑅𝑐𝑜𝑟𝑒

<40m
>170m

𝐼𝐷𝐶−𝑝𝑖𝑥𝑒𝑙

𝐼𝑡𝑜𝑡 𝑝.𝑒. /161
cos(𝜃)

再構築された到来方向<2500 p.e.

𝐼𝑚𝑎𝑥.𝑛𝑒𝑖𝑔ℎ𝑏.
𝑄𝐷𝐶 =𝐼𝑝𝑖𝑥𝑒𝑙 選択領域の中で最も小さいQDCを持つピクセルを DCpixelと同定
 これらの条件を満たす望遠鏡が最低2台あることを要求

LSTに入ったDCイベントの各ピクセルの光量の時間推移

 大気上層部で放出されるDirect Cherenkov光はシャワー極大近傍で放出されるCherenkov光よりも~3ns遅れて地表に到達する特性がある

 H.E.S.S.のデータは16 ns間の積分で取得されていたため、この時間特性は利用されていない
各ピクセルの光量の時間推移(2)16ns
DC-pixel

イメージ重心近傍のピクセル
Local m-ring近傍のピクセル(光量x20) 前掲のテスト鉄データに
H.E.S.S.like 解析のカットを適用
 min QDC<0.8と簡略化
 Image cleaning条件からはじまって、これからCTA仕様での解析パラメータのチューニングが必要True Core position 分布
Rreconstructed

Simplified minQDC(<0.8) +core cut

エネルギー分布First interaction height 分布
all eventsreconstructed events
minQDC +core cut eventsDirect Cherenkov光を利用したIACTでの宇宙線重元素スペクトル計測は、100TeV領域において現行装置(H.E.S.S.)での結果が飛翔体による直接計測結果と比較しても最も精度の良いものであり、有望な手法と言える。
次期計画CTAでは12mの中口径望遠鏡の数が増大することによりDC手法での鉄粒子検出の有効面積の増大が見込まれる。また、23mの大口径望遠鏡の集光力により、より軽いSiなどの原子核成分の検出感度も向上すると期待される。
今後H.E.S.S.の解析手法から発展させたCTA仕様の解析手法の開発が不可欠である｡DC光イベントの高効率選択と背景陽子イベントの高効率排除を両立するevent selection, またＤＣ光をEAS光分布から精度よく抽出する解析手法を確立する必要がある。
チェレンコフ光子の到来タイミング情報の活用はこれらの解析手法の確立に有用である可能性があり、今後フルシミュレーションデータを用いたstudyを展開する予定である。