Telescope Array 宇宙線観測実験での遠隔地データ収集システム

東京大学 宇宙線研究所
野中敏幸

2013/12/17

情報とシステム2013 @一橋講堂

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宇宙線
荷電粒子 エネルギースペクトル と 加速候補天体
銀河系内起源
観測には大規模な露出が必要。宇宙線が大気と衝突して生成する粒子カスケード現象（空気シャワー）を観測 。
(チェレンコフ光、窒素蛍光望遠鏡、粒子検出器）
F(E)∝(E/E0)κ
k~-3?

2013/12/17

情報とシステム2013 @一橋講堂

銀河系外起源極高エネルギー宇宙線
・Telescope Array 実験
・Pierr Auger 実験~1000km2の検出装置が必要。

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極高エネルギー宇宙線 観測
エネルギースペクトル、原子核組成、到来方向、から生成源天体・加速機構・伝播過程に迫る。
例：スペクトルの形状からの組成と線源距離の示唆
1019.7eV” 陽子” + 宇宙背景放射

大気を検出器とした測定

地球大気

空気シャワー現象：
高エネルギー粒子の多重発生

P+γ n + π+P+γ p + π0

（GZK機構）大気蛍光望遠鏡
2013/12/17

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地表粒子検出器
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Telescope Array 宇宙線観測実験
Telescope Array 実験サイト N39° W 112°1370m a.s.l 米国ユタ州

X 507台地表粒子検出器

X ３か所

蛍光望遠鏡

～30km

高い晴天率 人口光無し 電力無し ＋自然保護対象
気候 : 夏 ~40℃max 冬 ~-30℃min 日較差 25℃
2013/12/17

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システム構成を決める要因

設置環境

Hardware,

物理目的からの要求

計算機
シミュレーション

データ解析

伝送方法
運用方法

取得するべきデータ(生成物)

2013/12/17

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極高エネルギー宇宙線 観測
大気を検出器とした測定

地球大気観測目的が決めるシステムの概要

要求統計量（@Telescope Array実験）
空気シャワー：
宇宙線スペクトルより、高エネルギー粒子の多重発生~1018.5eV 宇宙線 100000イベント/year 有効検出面積 1000km2標高 ~1400m 晴天率 大気透明度
Off Grid!
観測対象の現象：
空間的広がり : R~3km @地表面
時間的広がり ： ～10μ秒
事象の再構成からのシステムへの要求：◎地表検出器面積・設置間隔
3㎡ 1.2km 間隔  地表検出器600台◎望遠鏡集光面積・設置数
3m 12基 x 3ステーション

大気蛍光望遠鏡
2013/12/17

地表粒子検出器◎信号記録サンプリング周波数
50Msps @地表検出器（20Msps @蛍光望遠鏡）

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実験室での放射線計測
例：同時放電を捉える事による 実際のミューオン測定システムの概念図

NIM・CAMACを用いて構想してみる。
probe1P.M
probe3

AMP
PM.AMP
Linear Fan
In/OutPre-Ampprobe2P.M

PM.AMP

Discriminator
Delay

CAMAC
モジュール等

放射線計測用モジュール
AMP
Fan in/out
Discriminator
Coincidence
Gete Gen
Delay(Cable)
通常実験室での測定では同軸ケーブルで情報伝達。

Attenuator

Coincidence

ANALOG
ADC

GateGenerator

GATE

設置間隔が広すぎてケーブルによる機器接続が不可能 無線LANによる情報伝達

2013/12/17

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7Telescope Array 宇宙線観測実験
Location: N39.3°W112.9°
1350-1500m asl
FD station (× 3station)○Surface Array (507 SD)△Communication towerFD

1.2 km grid SD (3m2 )● 3 sub array :+cross boundary trigger
Total 507 SD● Total detection area ～700ｋ㎡●SD

望遠鏡観測データ
到来方向、コア位置推定

エネルギー推定Filled Area:
IMC シャワー発達関数• 大気蛍光• 散乱されたチェレンコフ光

光量

Ti (αi ,ψ , R)

SDの時刻情報を用いる 
Ψ、軸距離の決定精度向上 (Hybrid 解析)

地表粒子検出器観測データ
2008/Jun/25 - 19:45:52.588670 UTC

入射時刻 到来方向

粒子の横分布の予想曲線とデータの横方向分布フィットより求める。
フィットで求める（Primary Energy）
r = 800m

Telescope Array 宇宙線観測実験
解析用データ総量： １か月当たり （＠電力、情報 インフラ無し 立ち入り・工事 制限）
自立電源、無線通信
X 507台空気シャワーデータ
環境モニターデータ
検出器較正用データ

地表粒子検出器

X ３か所

街まで送り届ければ何とかなる。

２ＴＢ/month 望遠鏡施設にて ＰＣ、HDD に記録。
人力輸送  解析へ。
これは物理的輸送しかない。

蛍光望遠鏡
2013/12/17~15GB/month

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観測、データ転送システム (概要１)
自立電源、無線通信
X 507台空気シャワー事象データ
環境モニターデータ
検出器較正用データ~15GB/month

データ取得システム

市街地まで転送

地表粒子検出器

検出器で記録されるデータ
波形データ12bit 700 Hz 2ch x507台
total 2.5TB/month
連続記録+環境計測(温度等)

事象選別
データ転送
稼働状況モニター

必要なデータのみ送信
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観測、データ転送システム (観測機器)


Solar Panel (120w)
GPS Antenna

Wireless LANAntenna(2.4GHz)

Solar cell+ Battery
Wireless LAN (2.4GHz) communication
GPS 1pps pulse are common clock for SDs.
50Msps FADC recording (12bit)

Scintilator Box

SD stand

一台当たり約700Hzの環境放射線（大気ミューオン、電子等）による“ノイズ“+ 低エネルギーの空気シャワー事象による信号 ~15Hz：
すべての波形を収集する事は不可能
事象選別

電子・γ線等の入射の際に発光→光電子増倍管で電気信号に
2013/12/17

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観測、データ転送システム (概要２)ＴＡ観測装置 構成図

通信速度：
検出器と外部の通信速度～1Mbps
データ収集塔の通信速度～3Mbps
連続観測、欠測無を要求

蛍光望遠鏡

データ収集塔① 3か所の通信塔を設置し、507台が通信する先を３か所に分散② 3つの通信塔に空気シャワー事象判別能力を持たせる。
③ 個々の検出器にて、粗視化した情報を作成。装置から送り出す。

蛍光望遠鏡

2013/12/17

地表検出器

蛍光望遠鏡

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検出器個々にCPU、データ収集塔による判断を待つための十分なバッファ（メモリ）を搭載
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観測装置での信号(情報) 処理
PMT
PMT

FilterFilter

FADC
FADC

上下層3MIP
コインシデンス

積分・減算
積分・減算

Level-0

Level-1

Trigger
Table

波形情報等記録
50MHz (1binは20nsの時間幅)で記録。

上下層0.3MIP
コインシデンス

タイムシーケンス
PPS

16MB SDRAM
700Hzで約40秒分の、波形情報等を記録。

40Hzで1秒あたり145Byte相当の情報量

PPS
大気ミューオンなどの雑多な宇宙線による信号は送信する必要はない。
有意な信号に関する情報だけを送信する

トリガーテーブル生成
~60ms

波形数探索
2013/12/17

波形情報収集 ~40ms

トリガーテーブル送信 ~3.7ms
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観測装置での信号(情報) 処理
トリガーパターン

トリガーテーブル
生成(us単位)

トリガーテーブル収集
波形情報収集
シャワートリガー判定

SD
Tower
Electronics

SD

Tower
PCSD

シリアル通信無線ネットワーク(一部TCP/IP)

トリガーテーブル
収集
3.7ms~/Try

シャワートリガー判定(隣接3台以上 8us以内)
60~80ms

波形情報収集30~40ms/波形情報

SK: ~540ms
SK: ~400ms
2013/12/17

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設計時
機器の設置間隔、波形収集のトリガー判定のためのパターン＋信号の大きさを条件として計算機で収集効率のシミュレーション

事象収集効率観測装置 稼働実績取得されるイベントの例
稼働率

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観測、データ転送システム (通信塔)
通信塔の役割：・地表の観測機器からのデータ収集
・望遠鏡施設のコントロールのためのネットワーク中継地点
・市街地へのデータ・情報輸送
Solar Panel
KyoceraBattery Dinasty
長距離通信アンテナ
Motorola P2P100
2.4GHz/5GHz
通信塔本体とアンテナ群

2013/12/17

バッテリーとネットワーク機器
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サイト内ネットワーク回路
Red line: データ取得専用経路●通信塔間での宇宙線事象識別結果の伝達
Green line : 汎用通信用経路●定期データ転送、望遠鏡施設での汎用

ユタ州・ミラード郡
デルタ市
30km 域の長距離無線ランモ
ジュールを用いた物理的に大きなＬＡＮ
ネットワーク的にはシンプル
長距離通信モジュール：Motorola P2P100
2.4GHz , 5GHz 併用~3Mbps の帯域
2013/12/17

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観測、データ転送システム (通信塔)
通信塔間のパケットロスモニター （～２．５年分)

設置時、アンテナ間の干渉注意
運用時、悪天候注意必要
望遠鏡施設 遠隔操作中の モニタ画面

2013/12/17

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データ収集システムの運転
地表検出器 稼働状況モニター
ＤＡＱに関連しない緑のラインを使用：
不必要に ＧＵＩ等の使用はしない。
コマンドライン 軽い

望遠鏡施設 遠隔操作中の モニタ画面

2013/12/17

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まとめ
・ 電力 情報 基盤の無い所に観測網を構築。

各観測機器は自前で電力をまかなう
通信設備、経路も自分たちで設計設置・ 各ラインは<3Mbps で大量データ転送は難しい, したがってデータの転送量を必要最小にするため記録事象の粗視化情報を送信、事象選別の後、詳細データを転送する。
・ 長期間（～１０年）稼働させるには、通信塔そのものと、市街地から通信塔への安定した通信が重要。

設置時の経験から：データ取得スキームの確定と実験で使用するハードウェアの仕様決
定とはなかなか切り離せない
実際には両方が同時に定まる事はない、
また、実際の設置の最中に設置環境による制限が実験の想定しているものと異なる事もある。
（土地管理局による作業制限、スケジュール、等)
開発項目の少ない、機器を用いる部分、基幹となるデータ転送経路は早めに確立しておく。
これは、データ取得システムの構築の際に非常に重要だった。

2013/12/17

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物理目標
•

極高エネルギー粒子(~1020eV)の発生機構、（発生源）の特定
 スペクトル、到来方向、化学組成から迫る●際立ったソース!? : 加速天体特定、
粒子線天文学可能性●銀河団等の大規模構造との相関!? :銀河間磁場強度 生成源密度, 加速天体種の推定●空気シャワー粒子の観測から、陽子Total cross section..etc
超高エネルギー原子核相互作用のモデル制限 , Elab >LHC加速器

理論的に予想される加速天体候補

加速候補天体
加速できる最大のエネルギー∝銀河の大きさ×磁場の強さ→大きいor磁場が強い天体↑天然加速器例えば＊活動銀河(AGN)e.g. クェーサー、セイファート銀河＊マグネタ―高エネルギーの電磁波を出す中性子星

arXiv 1103.0031

Hillasダイアグラム＝ 加速候補天体 早見表
AGN JetGZK効果エネルギーと到来頻度

横軸 エネルギー
縦軸 エネルギーを失うまでの距離空気シャワー現象

λ26

大気蛍光望遠鏡
From HiRes

Middle Drum

14 cameras/station
256 PMTs/camera

5.2 m2~30km

New FDs
256 PMTs/camera
HAMAMATSU R9508
FOV~15x18deg
12 cameras/station

Long Ridge

Black Rock Mesa

~1 m2

6.8 m227