High Energy n Astronomy
with IceCube
New knowledges and mysteries
on high energy n Universe
付録 : 日本グループは国際プロジェクトでいかに足場を築いたか

Shigeru Yoshida
ICEHAP - Chiba university
2021/9/6

1

Luminosity

Radiations from Universe

CMB

2021/9/6

IR/Optical

X-ray

g-ray

2

Luminosity

Radiations from Universe

g-ray
g-ray

2021/9/6(Ultra-High Energy)
Cosmic Rays

3

A (possible) cosmic accelerator
AGN (radio galaxy)Centaurus A (the closest radio galaxy)2021/9/6

4

Why n is so powerful
to explore high energy universe?

TeV (1012 電子ボルト)以上のエネルギー帯域で宇宙全体を探査できる唯一のメッセンジャー光子・宇宙線ハドロンは、CMB、EBL(宇宙背景光-- 可視・赤外)と衝突するため届かない
電波

2021/9/6

可視・赤外

X線

γ線

ニュートリノ 宇宙線

5

The Cosmic Neutrinos
Production Mechanisms“On-source” n

TeV - PeV
pp → p → np

gp → p → n

pphotopion production“GZK” cosmogenic nn

EeV
CMB

100EeV p

gp → p → n
2021/9/6

6

Multi-Messenger frameworkpg(p,n) pg-ray observations
2gmn
enn

Cosmic Rayobservations

2021/9/6

n observations
7

Multi-Messenger framework
pg(p,n) pg-ray observations
Fermi-LAT collaboration, Science 339, 807 (2013)

2g
mn
enn

Cosmic Ray
observations

2021/9/6

8

Multi-Messenger framework
pg(p,n) p

g-ray observations
Fermi-LAT collaboration, Science 339, 807 (2013)

2gmn
enn

Cosmic Ray
observations

2021/9/6

But eZ → egZ (Bremsstrahlung) could produce g-ray
eg → eg (inverse Compton)
9

Multi-Messenger frameworkpg(p,n) pg-ray observations
2gmn
enn

Cosmic Ray
observations

n observations||The smoking gun
2021/9/6

10

The Cosmic Neutrinos
Production Mechanisms“On-source” nTeV - PeV
pp → p → n

pgp → p → n

pphotopion production“GZK” cosmogenic nnEeV
CMB

100EeV pgp → p → n
2021/9/6

11

The Neutrino Flux: overview
Solar n (8B)

SN relic n
Atmospheric n

The main background for astro-n“On-source” astro-n
produced at the UHECR sources

Detected, but a majority of sources unknown

MeV
2021/9/6

GeV

TeV

PeV

EeV

“GZK” cosmogenic nproduced in the CMB fieldNot detected yet12

IceCube Neutrino Observatory

2021/9/6

132021/9/614Constructions2005-2011
Detectors shipped from Japan

Drill House

Researchers working on deployment
The IceCube Lab 「Beer Can」

2021/9/6

15

The IceCube Detector

neutrino energy: 1TeV-100EeV• String spacing 125 m, DOM spacing of 17 m

neutrino energy: 5GeV-100GeV• String spacing ~70 m, DOM spacing of 7 m
2021/9/6

16

Detection Principle
An array of photomultiplier tubes + Dark and transparent material

Cherenkov light

ChargedParticles

νl
W,Zl,
νl

mte

hadronicshower

DigitizedWaveform
2021/9/6n17

IceCube Event Topology
Track

Cascade (shower)

nm CC→mnt CC→ t (only at ultra-high energies)

2021/9/6

ne →e+XCCnx NC→ x + X x=e, m, t

18

n as cosmic messengers

2021/9/6

19

Bert & Ernie kicks off
the Discovery of Cosmic n flux

Found by the IceCube UHE (GZK) n searches

IceCube collaboration
Phys. Rev. Lett. 111, 081801(2013)

2021/9/6

20

TeV

PeV

EeV

Our data todayg2021/9/6

CR21

TeV

PeV

EeV

Our data todayg2021/9/6nCR

22

TeV

PeV

EeV

Our data today
A closer look – TeV-EeV range2021/9/623

TeVPeV

EeV

Our data today
A closer look – TeV-EeV range
By Cascade Searches
IceCube Collaboration
PRL 125 121104 (2020)

By Muon Track Searches
IceCube Collaboration
ApJ 883 1,3 (2016)

By all flavor (ne, nm, nt) sensitive
Extremely-High Energy (EHE)n Searches
IceCube Collaboration
PRL 117 241101 (2016)
PRD 98 062003 (2018)

2021/9/624

TeV

PeV

EeV

Our data today
This spectrum is consistent with a single component?
like this : Fn ~ E-2.5

2021/9/625

Spectral fit :a weak tension but inconclusiveFn ~(E-an)

100 TeV

2s contour

99% C.L.

2021/9/626

TeVPeV

EeV

Speculation : Two components?
pg

pg or pp2021/9/627

Two component scenario : an example
Medium Energy (~TeV) pg in AGN disk-corona
Murase, Kimura, & Meazaros
PRL 125 01101 (2020)2021/9/6

High Energy (10TeV-PeV) pp in clusters of galaxies
Fang & Murase
Nature Physics 14 196-198 (2018)

28

TeV

PeV

EeV

Speculation : Two components?
Threepg

2021/9/6pg or pp

cosmogenic

29

The Cosmic Neutrinos
Production Mechanisms“On-source” n

TeV - PeV
pp → p → npgp → p → np

photopion production“GZK” cosmogenic nn

EeV
CMB

100EeV pgp → p → n
2021/9/630

TeV

PeV

EeV

Cosmogenicn intensity
range
Yoshida & Teshima PTP 89 833 (1993)
Ahlers et al APP 36 106 (2010)

2021/9/631

TeV

PeV

EeV

The Constraints on evolution (emission history)of UHE cosmic ray sources
IceCube Collaboration
Phys.Rev.Lett.117 241101(2016) erratum 119 259902 (2017)UHECR sourceis cosmologically
LESS evolved

Any sources with evolution
compatible or stronger thanstar formation rate are disfavoredr ~ (1+z)m0<z<zmax
FRII (FSRQs)
excluded

GRBs
allowed2021/9/632

IceCube 170922A

2021/9/6

33

Science 361, eaat1378 (2018)

IceCube-170922A event• 2017/9/22 20:54:30.43 UTC• 5th and the most cosmic neutrino signal like EHE alert• automated alert was distributed to observers just 43 seconds later
Fermi Telescope

gamma-rays
neutrinos
neutrino observed
optical light

Optical telescopes

Kanata telescope...and many more telescope

Magic telescope2021/9/634

Spectral Energy Distribution
radio

2021/9/6

opticalx-ray

g-rayn35

TeV

PeVEeV

TeV n sky
3s (post-trial) excess in TeV range with 10 years of data

Yet another nsource
candidateSeyfert IIGalaxy
NGC 1068
IceCube Collaboration
PRL 124 051103 (2020)2021/9/636

TeV

PeV

EeV

TeV n skyStar Burst AGN

Blazar AGN

NGC 1068 TXS 0506+056

Started tosee resolved
sources in
TeV n sky

BL Lac Blazar AGN

BL Lac Blazar AGN

PKS 1424+240

GB6 J1542+6129

3.3s combined

IceCube Collaboration
PRL 124 051103 (2020)2021/9/6

37

ニュートリノ・光近赤外連携 次の一手
IceCube から日本の光・赤外観測グループへ
ニュートリノ天体をより同定しやすいアラート・追観測手法を策定中
Neutrino Doublet アラート
Engine-driven Supernova/Hypernova (such as type Ic)や LL-GRB など可視光帯で観測できる爆発天体を高エネルギー宇宙線起源として同定

形だけではない有機的な共同研究を行っている
ニュートリノ解析チャンネル開発段階から追観測パートナーと共同研究を行うことで、コミュニティーをさらに広げ、日本発の大きな発見につなげる
追観測側のイシュー (変動天体は視野内にたくさんあるなど)を初期段階から考慮して開発研究をする

国内13の可視・赤外望遠鏡のネットワーク

今年7月には、観測戦略策定 ワークショップ を開催
国内の光赤外・g線の若手・中堅が参加 実地の議論を行った
このスタイルを g-ray (= MAGIC, HESS, VERITAS, CTA) に拡張することも視野

38

次世代実験 IceCube-Gen2
究極の宇宙ニュートリノ観測施設
学術的意義
高エネルギーニュートリノ観測によりニュートリノ天文学
宇宙線物理学
素粒子物理学の未開のフロンティアを開拓
IceCube 実験に比してニュートリノ天体検出感度 7倍
100TeVで 9倍バースト天体検出数
1PeVで 13倍4倍(0.8→ 0.2度)
角度分解能

現在稼働中のIceCube (Gen1)

2021/9/6

2023年建設予定のIceCubeアップグレード(IceCube-Gen2 Phase 1)
検出器製作中 39

日本が開発した新型検出器
D-Egg

主要検出器として現在製造中300台が2023年に南極に埋設予定

現在運用中の第一世代検出器

2021/9/640

深氷河埋設光検出器モジュール
D-Egg
•
•
•
•

シリコンゲル

現在製作3年目
320台製作予定
205台製作済み
較正測定進行中

卵型
耐圧ガラス球
8インチHigh QE PMT
ファインメット磁気シールド

カメラLED フラッシャー
8インチHigh QE PMT

2021/9/6

専用クリーンルームで組立 大型冷凍庫内氷点下40度に勤しむ石原さんで試験中のD-Egg

現行IceCube検出器モジュールに比して制御基板•••

断面積 70%に小型化
光子検出面積 3倍
波長330nm以下での検出効率4倍

すでにIceCube-gen2 の仕様を満たしている
確実に動作する検出器
電源・信号ケーブル

gen2検出器としてMustな改善 • ダイナミックレンジの改善• 製作費用の更なる低減
Preferableな改善• 現行比で光子検出面積4倍の実現
41

12か国国際共同プロジェクトでの日本の寄与
IceCube実験での実績十分

IceCube-Gen2 では中心プレーヤーに日本グループのマイルストーン
日本はPMT と超高エネルギー解析(EHE 解析)で責任

関連する日本がleading した論文
PMT 技術論文

NIM (2010)

最初のEHE解析 PRD (2010)
IceCube EeV領域でPRD (2011)
他実験を凌駕する上限値
PeVニュートリノ発見論文 PRL (2013)

詳細報告

PRD (2013)νアラート技術論文

APP (2016)

EeV ν上限値更新とUHECR 起源への示唆

PRL (2016)

IC170922AによるScience (2018)
ν天体同定
日米欧3極の中で最初にNSFから正式承認された
6PeVニュートリノ信号がグラショウ共鳴由来であることを示す
6PeV 信号自体も日本グループの解析で2017年に同定
2021/9/6

EHEν上限値と6PeVν検出

PRD (2018)

グラショウ共鳴による Nature (2021)
反電子ニュートリノ同定

42

日本の先導性

IceCube完成後10年の日本グループの歩み
2021/9/643

WBS L2 以下の組織図
IceCube Gen2 Project

マネージメント

WBS L2
WBS L3埋設(ドリルなど)

深氷河検出器

DAQ

電波

データ処理

1.1 Project Office

1.2 Implementation

1.3 Instrumentation Deep

1.4 DAQ and Surface
Instrumentation

1.5 Instrumentation Radio

1.6 Data Systems

V. O’Dell

J. Cherwinka (Acting)

A. Ishihara

J. Kelley

A. Nelles

G. Sullivan

1.1.1 ProjectManagement

1.2.1 Management &Engineering

V. O’Dell

T. Benson

1.1.2 Project
Engineering andTechnical
Coordination

1.2.2 Drills

M. DuVernois

B. Birrittella

1.1.3 ProjectControls

1.2.3 Installation

M. RogelD. Tosi

1.3.1 Optical Module
Development andEngineering

Y. Makino

1.3.2 Optical Module
Production (US)

C. Ng

1.3.3 Optical Module
Production (Europe)

S. Blog

1.4.1 DAQ andSurface
Instrumentation
Management

J. Kelley

1.4.2 DownholeCables

A. Hallgren

1.4.3 FieldHubs

C. Rott

1.5.2 Radio Detector
Production, Testing,and Integration

1.6.2 South Pole
Computing

1.7.2 Dust Logger

S. Toscano

R. AuerS. BenZvi, B. Jones

1.5.3 RadioCommissioning

1.6.3 Online Systems

1.7.3 Radio Array
Calibration andCommissioning

C. Glaser

I. McEwen

D. Gibson

N. Shimizu

M. Kauer

S. Toscano

V. O’Dell

1.7.1 Detector
Calibration andCommissioning
Management

D. Williams

1.5.4 Radio Data
Handling

1.1.6 Travel

TBD

G. Sullivan

1.4.4 Surface
Comms, Power, &Timing

F. Schröder

D. Williams

S. Wissel

1.3.4 Optical Module
Production (Japan)

M. Zernick

1.8 ASC Coordination

1.6.1 Data Systems
Management

1.2.4 Field Seasons

1.4.5 Cosmic RayDetectors

1.7 Detector
Calibration andCommissioning

1.5.1 Radio Detector
Management andEngineering

1.1.4 Logistics andProduction
Coordination

1.1.5 Safety, Quality
Control, and Quality
Assurance

キャリブレーション

I. Taboada

D. Besson

1.6.4 Core Software

1.7.4 Surface Array
Calibration andCommissioning

M. Larson

S. Tilav

1.6.5 Data Handling,
Data Center

1.7.5 Deep Ice Array
Calibration andCommissioning

B. Reidel

C. Rott

1.4.6
Instrumentation
Software andFirmware

J. Braun44

IceCube が走ったときはどうだったか?
2012-13年に一連の大きな成果が出るまで―苦しい10年間だった。
2001 年 アメリカ IceCube 実験の本予算を承認。 米アスペンでの国際会議で IceCube 実験PI Francis Halzenが吉田のプロジェクト加入を提案

2002 年 吉田、千葉大学で研究グループを作り IceCubeに正式参加。日本を含む8カ国国際共同実験グループ発足
Halzen教授からのOfficial invitation letter2003 年 基幹検出器要素である光電子増倍管を日本が作ることが決定
千葉大学と浜松ホトニクスが共同で開発・試験・較正に当たる

最高エネルギー宇宙物理学の分野で実績を有するグループの参加は大変有益であり、検出器の心臓部を生産する日本に研究グループが存在ことは極めて重要である。

2005-2006年 米ウイスコンシン大学と提携。日本学術振興会の日米二国間共同研究採択。検出器建造・較正、極高エネルギーニュートリノ探索手法開発で共同研究

2006 年 IceCube 検出器南極点における埋設開始。6年間にわたる建設は2011年4月に完了
2011年 全検出器による観測開始
２つのキーワード

1.
2.

光検出器
超高エネルギー帯における宇宙ニュートリノ探索

千葉大グループ主導の学術論文群 (2010年にこれらの論文が出された。これらが2012-13の飛躍につながった)

2021/9/6

光検出器の性能評価

最初の観測結果

世界最高感度での観測結果

45

2021/9/6

46

2021/9/6

47

日本グループの戦略• 重要な検出器要素一つとユニークな物理テーマ一つに資源を集中させた。
2002年当時 ニュートリノでは新参者。突破口となりうる部分に集中した。

１０インチＰＭＴ
浜松 Vs. EMI (photonics)

GZK （最高エネルギー帯）の物理
AMANDA では困難。特にシミュレーションはかなり整備が必要であった。
2021/9/6

48

日本だけに閉じない！
有力相手と組む事も必要
Golden DOM program
PMTDOM
metal cage

HV board
Flasher board

Main board

10 inch PMT

Hamamatsu➢ makes all PMTs

2021/9/6

Chiba Univ.

Optical gel

Wisconsin Univ.

Chiba Univ.

South Pole

➢ Normal check: (1/10)➢ assembles DOMs
➢ Golden DOMs: (1/80)❑ Linearity of the PMT gain ➢ check all DOMs
❑ 2D sensitivity scan
❑ dark noise rate
❑ Absolute calibration(under low temperature)❑ charge resolution❑ Linearity of the DOM gain
❑ dark noise rate
➢ Golden PMTs: (1/60)❑ component checknormal check +❑ cold reboot❑ 2D sensitivity scan
❑ communication test
❑ Absolute calibration49

高エネルギー宇宙ニュートリノの発見
大きな発見だから、間違った結果は出せない。シビアなチェックと論争が国際グループ内で行われていた。
2012年5月10日 日米欧電話会議の議事録の一部

日本語訳(日本時間の)午前４時まで起きて議論に参加してありがとう。しかしパトリックとマーカスはこの結果に懸念を表明した。…… (以下問題点の記述)
2021/9/654

人は石垣、人は城
良い戦略の成否も最後は「人の力」が決める• 常に新しいアイデアがあり• 継続する根性があり• 英語で徹底的に議論できる人に恵まれたことは大きかった
2021/9/6

59

いい事ばかりはありゃしない(by 忌野清志郎)• 日本は、アメリカからもヨーロッパからも遠く地理的に孤立している。
IceCube の中心地はウイスコンシン。どうしても「現場感覚」が疎くなってしまう。→大きな課題の一つ
殆どの電話会議は日本時間の夜中に開始。

2021/9/6

60

いい事ばかりはありゃしない(by 忌野清志郎)• 論文がしばらく書けない暗黒時代

Follow-up paper Science
Follow-up paper PRD
PeV n discovery PRL

GZK new-bound PRDnN cross section PRD
1st GZK n search PRD
PMT NIM61
2021/9/6

GZK n MC study PRD

IceCube結成

2007 2008 2009 2010 2011 2012 20132002 2003 2004 2005 2006

まとめ(ささやかなアドバイス)• 大型国際プロジェクトで(比較的規模の小さいグループが)Visibility を上げるには手を広げずに人的資源を一つのハード、一つの物理に集中させる。既存projectが手薄なものが良い。
• 透明な組織作りが鍵。興味を持った外国人をどんどん引き入れる。
英語での豊富な documentation が必須。議事録ももちろん英語。

2021/9/6• そうすれば in-kind contribution も認められる可能性が高まる。Common-fund 問題の解決。
• 最後の決め手は、人のクオリティー。
• 地理的孤立問題は1,2名の精鋭を project 中心地に張り付かせることで少しは解決可能。
• 論文暗黒時代が来ます。耐えてください。

62

少し宣伝
今日の内容+秘められたエピソード+サイエンスの解説

63

最後に宣伝2021年秋季物理学会 (神戸大)シンポジウムニュートリノ・重力波時代のマルチメッセンジャー天文学の展望
IceCube, LIGO-Virgo, KAGRA, NIR-Optical, CTA, Theories..

2021/9/6

64