第３回CRCタウンミーティング 超高エネルギー宇宙線観測分野

Telescope Array 2
佐川 宏行（東大宇宙線研）
2012年6月30日
東工大 大岡山キャンパス
1

概要
TA実験と最近の結果
TALE計画

低エネルギー拡張

TAとAugerの結果の違い解決へのアプローチ
Telescope Array 2

Aperture拡張
2

TA実験の目的

大気蛍光望遠鏡

エネルギースペクトル
組成
到来方向

地表検出器

最高エネルギー宇宙線による宇宙極高現象の解明
特定領域科研費 （2003年度～2008年度）
2007年11月からFDフル稼働
2008年 5月からSDとFDのハイブリッド観測特別推進科研費 （2009年度～2013年度）
現在TA運用中
3

TA実験装置
米国ユタ州
北緯39.3度, 西経112.9度
標高 約1400 m
地表粒子検出器
507台(1.2 km 間隔) 700 km2

大気蛍光望遠鏡
３ステーション

4

最近のTAの結果
超高エネルギー宇宙線（UHECR）の• エネルギースペクトル• 組成• 到来方向

5

SDによるUHECRのenergyの測定

MCを用いてEnergy vs S800, zenith angleのテーブルを作る
S800：シャワーコアから800m離れたところでのcharge density

SD energyを27%下げて、FD energyと比較した図6

SD エネルギースペクトル
NEXPECT:GZK suppressionがないとしてbreakをこえてbroken power law fitを拡張してTA SDのexposureで期待される
log10E=19.7以上の事象数7

エネルギースペクトル8

Xmax 分布9

Xmax vs energy

10

UHECRの到来方向• 活動銀河核（AGN）との相関• 大規模構造（LSS）との相関• 自己相関（autocorrelation）

11最高エネルギー宇宙線とAGNの位置との相関• AGNの距離が2.4億光年以内（黒点）• 57 EeV以上の宇宙線：25事象 （赤丸＋青丸）（赤丸）• 3.1度以内の数を求める

TAで見える範囲
銀河中心

銀河座標系

• 観測相関数11（一様な到来方向の場合の期待相関数は 125.9: chance probability 2%）

大規模構造（LSS）との相関
LSSモデル[250 Mpc 以下]
2MASS Extended source カタログ
陽子を仮定
Smearing angle: Θs = 6°[250 Mpc 以遠]
Isotropy

13

大規模構造（LSS）との相関
E > 10EeVモデルとの適合確率LS
S

E > 40EeV

E > 57EeV

(0.5)
(0.9)
()内はisotropy modelに対する適合確率
Regular GMF
Disk + halo(*)(*) strong/extended halo MF(0.6)

横軸: smearing angle Θs (考慮されていない銀河系外磁場等の効果を角度の歪みとして取り入れる）
モデル

GMF

E > 10 EeV E > 40 EeV

E > 57 EeV

Isotropy-OKOKOKLSSNoNOOKOKLSS

regularOKOK

OK

14

Auto-correlation

宇宙線の到来方向の小角度スケールでのclusteringは見られない
15

概要
TA実験と最近の結果
TALE計画TAとAugerの結果の違い→解決へのアプローチ
Telescope Array 216

エネルギー範囲(TA+TALE)
1016.5 eV - 1020.5 eV~1017.3eV: 2nd knee
系外宇宙線への遷移?
（重い原子核 →陽子?）

Log10(E2xF[eV2m-2s-1sr-1])

低エネルギーへの拡張（TALE: TA Low energy Extension）
TALE
16.5

26

19
カットオフ?

2524
23
13

2nd knee

ankle

14

15

16

17

18

Log10(E/eV)

空気シャワーとLHCfとの比較@1017 eV

19TA

20

21

HiRes Stereo
7TeV

7TeV

1017eV at rest

1017～1018 eVの異方性?
銀河系起源?

HiRes-MIA
17

TALE測定器
高仰角FD
31o – 59o

TALE FDs

TA Middle Drum

高密度SDアレイ

期待されるハイブリッド事象
エネルギー分布

合計105台~5000事象/年
16 16.5

18

TA SDと同じSD

18

TALE測定器
高仰角FD

TALE FD
ユタ大：HiRes移設
来年の春頃完成予定
韓国： 3台のlarge mirror担当
TALE SD
日本担当
今秋：一部TA SDのスペアを設置
残りのSDの予算の早期獲得を目指す
TALE FDs

31o – 59o

TA Middle Drum

高密度SDアレイ

期待されるハイブリッド事象
エネルギー分布

合計105台~5000事象/年
16 16.5

18

TA SDと同じSD

19

概要
TA実験と最近の結果
TALE計画TAとAugerの結果の違い
解決へのアプローチ
Telescope Array 220

スペクトルTA SD（■）とAuger（△）の差はエネルギースケールで25%程度
21Electron Light Source (ELS)
加速電子ビーム源 = 新しく提案されたTA実験でのエネルギー較正源
エネルギー測定に必要な較正定数の一括較正
ELS@KEK

ビーム射出方向2010年9月 運転開始
出力電力=40 MeV×109e-/pulse×0.1-0.5 Hz、パルス幅は1μsec

22組成AUGER

TAの結果は陽子モデルと一致

Augerの結果は約3×1018 eV以上から重くなっている
23

TA, Auger spokespersons
TA spokespersons

Auger spokespersons

Hiroyuki Sagawa Gordon Thomson

Karl-Heinz Kampert Jim Matthews

TAとAugerの懸案を解決するためにspokesperson間で打合せを行っている

24これまで挙がっている項目• TAとAugerのspokesperson間の打合せ– 2月のUHECR2012シンポジウムに向けて立ち上げたWorking Group(*)の継続• (*) Spectrum/composition/anisotropy/model/multimessenger

25

TA – Auger の共同研究に関して挙がっている案• Photonic calibrationの交換• 解析プログラムの公開?
– 一部データ公開?

• 相手側のグループの会議に参加して議論• 相手側のグループのupgradeに参加– R&Dに関しては、TAサイトで、AugerのKIT/Chicago
グループとTAで共同でELSからの電波観測試験を行っている。

• FD&SDの交換
26

Exchange of photonic calibration• CRAYS@ICRR（TA）– AugerのPMTを較正• Octocopter (Auger)– Photonic calibration• Absolutely calibrated lightsourceTA• ユタ大の較正装置（TA）– AugerのPMTを較正

27

Program, data?

@ UHECR2012• Augerの再構成を含んだ解析プログラムをopenにするかどうかをAuger内で議論中
合成写真28

概要
TA実験と最近の結果
TALE計画TAとAugerの結果の違い
解決へのアプローチTelescope Array 229

点源の同定最高エネルギー宇宙線を使う ⇒ ソースの数を限る
30

点源の同定点源の分離のために ⇒ Ns x Ω < 4π

⇒ log10Eth = 19.8 – 19.9
31

SDのspacing

32

Huge air shower array@UHECR201233

１年に期待される事象数34

Telescope Array 2の課題
• ソース密度• LSS proton model• 加速限界• 組成の同定• UHEγ35

ソース密度の制限
Takami et al. 200736

(60倍 TA SD)×5年の場合の100EeV以上のUHECRのsky mapの例• 2・ 10-4 (Mpc-3)• 2・ 10-3 (Mpc-3)
E>100EeV 150 events for TA exposure
Smearing angle=3(deg)Same luminosity for each galaxyZenith angle < 45(deg)37TA2(60倍TA SD)で3度以内の100EeV以上のUHECRのペア数
ソース密度

地球への到来方向が一様分布（Iso）

LSS model

モデル

2×10-4 (Mpc-3)

2×10-3 (Mpc-3)

most probableなペア数

most probableなペア数121年期待されるペア数3

0.6±0.8

Isoからのずれ：>5σ
most probableなペア数

122

3年

Most probableなペア数期待されるペア数266±2Isoからのずれ：>5σ

縦軸は立体角でnormalize

2×10-4 Mpc-3
TA2 x 1年の例

2×10-3 Mpc-3
TA2 x 3年の例

38

LSS proton modelからのずれに関するexpectation(TA SD)×3.4年

TA2（60倍TA SD）×1年(TA データ)

より合っている

6.5σでIsotropy modelが棄却できる39

前ページ横軸Dの説明
下図の到来方向（白丸）はシミュレーションの１例（13ページの実際のデータとは違うので注意）
2521 419232421513596188 17 11121420 732216101

D：モデルからの最大の差
Dが小さいほどモデルと合っている

この場合、横軸～2.5の時にLSSモデル（赤線）との差が約0.2と最大になる
縦軸：累積25事象数を1に規格化銀河座標系
白丸：57EeV以上の宇宙線25事象（TA SD 3.3年分）のMCシミュレーションの１例

D

グレーで示した範囲がTAで観測できる領域
グレーはLSSモデルで期待されるflux分布
5段階表示（各領域は同じ頻度数）
濃いほどfluxが高い
40

60倍TA SDで期待されるスペクトル（TA SD）× 3年のデータ（60倍 TA SD）× 10年の場合に1020.5 eV以上で加速限界がほぼない場合に期待される事象数20.6

加速限界が1020.5 eVの場合に期待される事象数0

期待値が20.6でゼロになる確率
は~6σ

41

超高エネルギー光子の探索

42

組成の同定 (SD)（TA SD）

TA SDの波形の情報、天頂角などの情報を使って、陽子・鉄の識別の試み→将来の地表検出器による粒子識別の展望
43

Prospect
現TA
3 yrs

3.3 yrs

現TA
3.7 yrs

11 yrsTelescope Array 2 (60倍 現TA SD)
1 yr

5 yrs

10 yrs

スペクトル
GZK suppression

3.9 σ

~8σ
1020.5 eVの加速限界を~6σで棄却

加速限界がない場合
組成1019.4 eV

Pure protonの場合にIronを5σで棄却できる
エネルギー（Xmax）

1019.6 eV1020 eV(breakpointの上)異方性
2x10-4
Mpc-3 >5σ

ソース密度: IsoからのずれIsotropy modelからの分離
UHEγ

~1σ

2x10-3
Mpc-3 >5σ

6.5σ
GZKγに制限44

TA2の費用とスケジュール• 10,000 SD, spacing = 2.0 km• 39,200 km2 (TA x 57.8, Auger x 13.1)• 費用：($10,000/SD)x10,000 SDs = $100M– 輸送・設置込
シンチレータベースのR&Dを日本側で始めている

Apply

Apply

45

UHECR2012でのその他の大規模地上検出器の提案
Low cost FD array

多構成装置

Radio+
Water tank>1019.5 eV with Xmax
>40000 km2
20 km spacing
One PMT at a station
Low cost O(10M$)

20 km

46

次世代実験に関して• UHECR2012で話した何人かがやりとりをしてグループを立ち上げつつある• TAとAugerのspokespersonの間の話し合い：「次世代実験（*）」を新たなWorking Group（**）として強く推したい– *: 含JEM-EUSO– **: UHECR2012では以下の5 WGがあり• Spectrum/composition/anisotropy/model/multimessenger
47

まとめ• TA実験が順調に稼働• TA実験を継続しつつ、TALE実験をスタートさせる– 銀河宇宙線と系外宇宙線の遷移を理解– 1017 eV付近のUHECRのデータとLHCfのデータを取り込んだ空気シャワーシミュレーションを比較• TAとAugerの結果の違い→共同研究で解決を目指す– 既にある較正装置でcross calib.
– 解析プログラム、一部データの交換?
– FDとSDの交換→hybrid観測でcross calib.

• 次世代UHECR実験計画を世界的な枠組みで進める
48