様式８

令和 4 年度（2022） 共同利用研究・研究成果報告書
研究課題名 和文：TALE ハイブリッド実験による 10 の 17 乗 eV 領域宇宙線の研究
英文：Study of very high energy cosmic rays around 10^17 eV with
the TALE hybrid experiment研究代表者

荻尾彰一（東京大学宇宙線研究所・教授）

参加研究者

常定芳基（大阪公立大学大学院理学研究科・教授）、藤田慧太郎（東京大学宇宙線研究所・研究員）、有村龍平（大阪公立大学大学院理学研究科・大学院生）、岩﨑葵（同・大学院生）、古前壱朗（同・大学院生）、敷田淳（同・大学院生）、竹田成宏（東京大学宇宙線研究所・助教）

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TALE-SD の運用状況
研究成果概要18年2月から定常観測開始，2019年10月にトリガー条件変更

リガー条件：（１）TALE 実験の観測実施による安定運用の継続
日本からの派遣を再開することができ、夏に集中的なメンテナンスキャンペーンを実施→ 3.0粒子相当以上の信号(20Hz/SD)
し、稼働地表検出器（SD）台数 100%を達成できた。その後もリモートでの実験装置の→ SD4台以上ヒット±16us以内(30イベント/10min)
監視とユタ大学の現地雇用職員による現地作業の連携によって定常観測継続している。

あたりの実稼働時間→600sec

稼働しているSDの台数→75台

1000800
600
400
200
080

SD1台の平均ヒット数/秒→20rate/(sec)

分あたりの通信エラー時間→0

DAQ summary at MDCT
運用状況（2019年9月~ 2023年3月）
Runtime/10min

Ndet

60
40
20
1000
0(sec)/10min

10分間の平均イベント数→30Live det

Lv. 2 (イベント)

Trigger/10min

Lv. 1 (SD ヒット)

Running time(sec)/10min

Lv. 0 (波形保持・記録) → 0.3粒子相当以上の信号(750Hz/SD)

SD Trigger

10010140
3mip rate
35302520151056000TimeOver
500
400
300
200
100
019/07/01
20/01/01

2019/0920/07/01

21/01/01

21/07/01
22/01/01
2021/07

22/07/01

図 1：TALE SD アレイの運用状況。2019 年 9 月にトリガー条件を変更したその時点以来運用状況である。上段から、10 分あたりの稼働時間（単位：秒）、稼働している SD 台数、10 分間のイベント数、平均ヒットレート（単位：Hz）、10 分あたりの通信エラー回数、である。
コロナ禍にあっても安定した運用を継続できていたことがわかる。

2023/0323/07/01

23/01/01（２）SD の追加設置による TALE 実験の低エネルギー拡張（TALE-infill）
TALE ハイブリッド観測のエネルギーしきい値を 1016.5 eV からさらに一桁下げるべく、SD を追加設置した（2022 年 10 月）。設置作業の様子を図２に示す。50 台の SD を 100m 間隔で追加設置し、0.36 km2 をカバーしている
図 2：左から、設置作業準備、最終動作確認、設置作業、作業完了後の SD アレイの様子。

（３）TALE 実験によって観測された空気シャワーデータの解析
TALE ハイブリッド観測による 1017eV 領域宇宙線のエネルギースペクトル、平均原子核質量数のエネルギー変化を日本物理学会、イタリアで開かれた国際会議 UHECR2022などで報告した。さらに、TALE SD による観測データから原子核種を決定する手法の研究についても国内外の研究集会で報告した。以下、それらの一部を示す。
17
図３は TALE ハイブリッド観測による 1016.5 から 1018.4 eV までの宇宙線平均質量数の測定結果（●）である。1016.5 eV からエネルギー増加とともに「重くなり」、1017.0 eV)!"# , ln ' vs. log+, (4 ⁄eV)
18.7で最も重くなる。その後は減少に転じ、10 eV 付近で最も軽くなる。特に興味深いの&'(%())!"#
は、最も「重く」なる 1017 eV 付近においても鉄原子核 100%（lnA=4）には達していな&'(%() + ln'*'()い点である。
)!"#ybrid Composition

図３：TALE ハイブリッド観測による 1016.5 から 1018.4 eVまでの宇宙線平均質量数の測定結果（●）。統計誤差を縦棒で、系統誤差を灰色塗りで示した。グラフの縦軸は質量数 A の自然対数の平均<lnA>であり、0 ならば陽子 100%ということになる。鉄原子核 100％ならば約４となる。
陽子、He、N、Fe100%に対応する横点線が示されている。 1018 eV を超えたところで TA 実験による結果（■）とスムーズに接続している。

edictions of, iron

ハイブリッド観測に比べて圧倒的に（10 倍以上）統計量の多い TALE SD アレイによる空気シャワー観測データから一次宇宙線原子核種を event by12event に決定する手法をdata E > 1016.5 eV研究している。モンテカルロ（MC）シミュレーションで作られた陽子または鉄原子核由quality cuts
来の TALE SD 擬似測定データに対して、粒子種を判別する２値分類機械学習モデルをBy 有村龍平（大阪公立大）
核種推定モデル精度評価
nty on !!"# is less than 14g/cm2
作成し、性能を評価した。研究結果の１つを図４に示す。モデルへの入力データは、シUHECR2022
ャワー解析の結果として得られる到来方向、一次エネルギー、横方向粒子数分布、シャ
入力値：!
出力値：!
Ø 27 宇宙線イベントパラメータ
ワー面曲率、シャワー面厚みなど
27 個のパラメーターとコアにもっとも近い検出器１→ 0 から 1 までの数値• 空気シャワーの横方向分布
Ø ０を陽子、1を鉄にラベル付け• 空気シャワーの曲率
台の上下２層の波形信号、合計283個の数値である。モデルの出力βは０ならば陽子、• 空気シャワーの厚みØ ! < 0.5 → 陽子と判断•
宇宙線の到来方向、エネルギーØ ! ≥ 0.5 → 鉄と判断
１ならば鉄原子核であると判定されたことを示す。図４に示す通り、分類精度72.3%が
Ø 検出器1台の上下2層の波形信号(128ビン分)得られている。

深層学習を用いた化学組成解析

lerPTAimryina

予測＼正答陽子

鉄陽子

2999(73.3%)1095(26.7%)

鉄1169(28.6%)2925(71.4%)

合計

4168

4020

全試験イベントに対する分類結果表→ 現在の精度：72.3％

図４：27 個の空気シャワーパラメーターとコアにもっとも近い検出器１台の上下２層の波形信号、合計 283 個を入力とする
２値分類機械学習モデルの性能評価結果。MC イ
ベントのエネルギーは1018 eV、天頂角は 30°と固定されている。

（４）関連する発表論文
A. Iwasaki, et al., “Performance of the TALE infill experiment as a TA-TALE
extension down to the PeV region”, EPJ Web of Conferences, 283, 06015(2023)
K. Fujita, et al., “Cosmic ray mass composition measurement with the TALE
hybrid detector”, EPJ Web of Conferences, 283, 02009(2023)
R. Arimura, et al., “A machine learning approach for mass composition analysis
with TALE-SD data”, EPJ Web of Conferences, 283, 02011(2023)
H. Oshima, et al., “Measurement of cosmic-ray energy spectrum with the TALE
detector in hybrid mode”, EPJ Web of Conferences, 283, 02006(2023)

整理番号 F03