超高エネルギー宇宙線観測分野：
実験のレビュー
第3回 CRC town meeting
2012年6月30日
東工大 西3号館 W331室

東大宇宙線研・福島正己
2012/06/30 CRC town meeting 東工大

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内 容•
••••••

実験： TA and Auger (AGASA, HiRes, Yakutsk)
スペクトラムの測定
質量組成異方性
現状のまとめと課題
電波観測のＲ&Ｄ： MHz, GHz (山本常夏さん)
将来計画: Ground and Space

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FDFluorescence
Detector

1.5o pixel(256 PMTs)

1o pixel

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AugerSDSurface
Detector

TA

S=10m2, h=1.2m
Water Tank
S=3m2, t=1.2cm
Plastic Scint.
2-layer
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SDとFDの同時観測FDSD

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52012/06/30 CRC town meeting 東工大

6507 Plastic Scintillators,(a la AGASA)
1.2 km spacing, ~700km2
3 x 12 (or14) telescopes
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Beautiful

SD Event

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TA8Beautiful

FD Event

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TA

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UHECR 2012 at CERN, 2012/02/13-16~230 participants• UHECR 2010 （名古屋） の follow-up• UHECR で何が判ったのか？
• HiRes / Auger / TA 測定の現状と課題• 将来計画• 5 working groups formed from all exps.
以下の資料の多くは 、このシンポによる。

http://indico.cern.ch/conferenceDisplay.py?confId=152124

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WG

①Y. Tsunesada② 質量組成members③ 異方性④ ν, γ 検出
J. Alvarez-Muniz, G.I.Rubtsov, M.Risse, B.T.Stokes⑤ MC: シャワーモデル⑥ Future Project wg:
シンポの後に結成。
JEM / EUSOも参加。
活動はこれから2012/06/30 CRC town meeting 東工大

11Energy Spectrum

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12wg report

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Break Point Energy and Power Index(Before energy rescaling)

~3.3

~2.7

logE東工大= 18.7
2012/06/30 CRC town meeting~4.2

logE = 19.6
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GZK&Models

注意！

~ GZK(p:CMB)
Many types of GZK (p…Fe : CMB & EBL, γg, Emax, m, zmax,… Etr,…) and other models.

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HiRes

E1/2 の値は、ソースでのベキ（γg）や、cosmological evol. (m) によらない（Berezinsky et al.）2012/06/30 CRC town meeting 東工大

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TA(proton)
Dip ModelEmaxproton
Galactic Iron ?
Transition @2nd Knee?

Extra-galactic Proton
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Extra-gal. Iron ??
17Auger(All Proton)
注意！

GZK(p:CMB)

γp → e+e－p
γp → Δ(πN) pProton 加速限界

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加速限界
Emax = 7 x 1019eV

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Mixed Composition Model(Low Energy “CR” composition at the source )AugerGZK(Fe:CMB)
CMBによる鉄の光分解

Mixed composition with heavy
component
over-weight (Allard, 2011)2012/06/30 CRC town meeting 東工大

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スペクトルのまとめ
1) 全ての実験のスペクトルは 1019.5 eV 以下で良く合う。

（E-scale を合わせたあと）

2) Dip and Suppression(cutoff) が HiRes, Auger and TA で確認された。
3) カットオフ は、陽子あるいは鉄の CMB との反応（GZK ） として矛盾はない。
3) AGASA の 延伸スペクトル（super GZK）は再現しなかった。
*1) カットオフの値と形状は、 Auger と TA/HiRes で異なる。 （ただし系統誤差内）*2) 背後にある物理過程（ GZK-p, GZK-Fe, 加速限界… など） を突きとめるために、エネルギー尺度、線型性、質量組成の理解が重要。

注意 ： 以上、各実験の公式見解（publication）とは、異なるかも知れない。
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Determinationof Energy

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データ解析の違い
・ 地表アレイ（SD）のデータを使う。
Spectrumand ・Anisotropy

Auger : S(1000m) + CIC>>> S38
TA :S(800m) + AirShower MC >>> ESD

エネルギーは、望遠鏡（FD）に合うように補正。
補正には hybrid data（SD + FD）を使う。
S38 vs EFD, ESD vs EFD scatter plot を使って補正。

・ 望遠鏡（FD） データを使う。
Auger :Composition

Hybrid Data
Strong Acceptance Cut
HiRes, TA : Stereo FD Data
Weak Acceptance Cut

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天頂角依存性の補正
AugerTAΘ = 38o

天頂角依存性をConstant Integral Intensity Cut (CIC)で補正

天頂角とエネルギーに対する依存性を空気シャワーＭＣで補正

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アレイ・エネルギーの較正（ハイブリッド・イベント（SD・FD 同時観測 ）を使う）

TA

Auger

1.08
EFD = a x S382012/06/30
EFD = ESD / 1.27
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PRL 101(2008) 061101

24

③
①

FD Energy Scaleの系統誤差②④

各誤差は~10% だが、実験的に評価できる。

④ イベント再構成① 蛍光効率② 大気透明度

2012/06/30 CRC town meeting 東工大③ 測定器較正

25④ （地中への μ, ν を含む）

・ 発光効率（@ 337nm）
・ スペクトル・ 圧力・温湿度依存性, などの標準化を目指している。

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①蛍光効率 と ③測定器の一括絶対較正2012/06/30 CRC town meeting 東工大

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Auger Atmospheric Monitoring

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TA LIDAR

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29Particle Composition

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Composition
QGSJET-II

TA<Xmax>Auger
Δ XmaxHiRes

2012/06/30 CRC town meeting 東工大（Data の直接比較は不可）

リンゴと蜜柑の比較：<Xmax>
Auger (hybrid):
Reconst. bias is corrected.
“no” acceptance bias.
HiRes, TA (stereo FD):
Both biases are included.

ΔXmax
Auger:
RMS, det. resol. subtracted.
HiRes:
31
Trunc. Gauss fit, resol. incl..

Xmax Distributions (Auger)
Lg(E) ~ 18.05

Lg(E) ~ 19.1

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Lg(E) ~ 18.15

Lg(E) > 19.4

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Xmax Distributions (HiRes)
Proton MC& data

Iron MC& data

Lg(E) ~ 18.3

Lg(E) ~ 18.3

Proton MC& data

Iron MC& data

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Lg(E) ~ 19.3Lg(E) ~ 19.333質量組成ｗｇのチェック
・ HiRes, Auger, TA のXmax データとデータ解析をチェックした。
1. 時間変動があるか
2. シャワーの傾き（vertical or inclined）に依存するか、
3. アクセプタンス・カットの強弱によるか
4. データとMCの一致は良いか
5. Energy scale の違いを補正して見る 等々。
・ 違いは、データ解析法にはよらない。
・ 違いは、Xmax 測定の系統誤差（quoted sys. error）では説明できない。
・ 質量組成の確認には、<Xmax> と Δxmax が重要（他のparameterは二義的）・ 北半球と南半球の組成が異なるのか？
現在のデータから決定的な事は言えない。北半球は統計不足。

＊ シンポジウムの後、Auger・TA 間で、大気データの交換、データ解析プログラムの公開・交換、MCイベントの交換、などの検討が始まっている。
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Anisotropy

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①②z < 0.018(75 Mpc)

Auger③

E > 57 EeV(1019.76 eV)

Isotropy からの偶然相関の確率

44%
Corr. 11/25
P=0.02TA
Science publication
以降は、完全にランダムと一致する。
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AugerTA

57EeV 以上

57EeV 以上

AGN 相関のエネルギー領域
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Auger: Cen A からの離角分布

TA: 自己相関の離角分布

E > 10 EeV

E > 40 EeV
E > 57 EeV

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38SummaryandProspects
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最高エネルギー宇宙線観測:

何が判ったか・ Auger, TA のハイブリッド観測で、観測情報が大きく向上し、測定の信頼度があがった。
統計は、１桁ふえた。
・ エネルギー測定の基準は望遠鏡。
・ エネルギー・スペクトルに dip and cutoff の構造を確認した。観測方法によらない。
・ Cutoff は、極高宇宙線と CMB の相互作用で生じた、と考えて矛盾なし（p or Fe）。
・ 1018 – 1020 eV の質量組成を測定した。 HiRes (proton) と Auger (p → Fe) で異なる。
TA の予備的データは proton。
・ 質量組成のデータ、データ解析法に明らかな問題は見られない。 質量組成が、北半球と南半球で異なるのか。
・ 異方性（large or small scale）、天体との相関について、確立したものはない。 Augerの AGN 相関は、ランダムから~3σ の有意度となった（南半球）。北半球では ~2σ以下。
・ 空気シャワー生成の理解が不十分 （EFD = ESD/1.27, muon 数 x ~2 excess, …）。

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物理のモデル -１

Dip Model• 1018 – 1020 eV は系外からの陽子

TA spectrum
ＣＭＢによる電子陽電子対生成

ＣＭＢによるπ の光生成

• GZK(p) Cutoff + Pair Production Dip• GZK 内の発生源が見えるはず。
• 加速源のベキ、cosmological evol. (m),銀河系内外磁場などの情報が得られる。
相対論の検証、さらに「粒子線天文学」の可能性?
• GZK neutrino が検出可能レベル• Proton 加速限界 > ~ 1020 eV

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物理のモデル - 2“Auger based”
Model• 銀河系外の陽子 Emax ~ 4 x 1018 eV

鉄Auger spectrum

Emax ~1020 eV• GZK(Fe) Cutoff + proton Emax Dip• 発生源は見えないだろう。
• GZK neutrino なし (EBL neutrino ?)CMBによる鉄の光分解
p 加速限界• Titled as “disappointing model”
in Brezinsky, Aloisio & Gazizov paper.

Fe 加速限界2012/06/30 CRC town meeting 東工大

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見通し
Dip model できれいに説明できるから 正しいとは、言えない。
もちろん disappointing だから 正しくないとは、言えない。
何が正しいかは、観測が決めるべき。
北半球と南半球で、underlying physics が違うのは困る。 しかし、解決の手がかりは沢山ある。
・ 1019 eV 領域の質量組成 （<Xmax>, ΔXmax）
・ カットオフのエネルギー、カットオフの形
・ 異方性、天体や大規模構造 との相関・ 遷移エネルギー（系内 → 系外）の決定 （1017eV 領域の測定）
・ ＧＺＫニュートリノの検出 （IceCube）
・ 実験間の協力と競争、問題解決への意気込み など。
正しい答えは、まもなく見つかるはず。 Be patient, be prepared.
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Where are we now?
1.
2.
3.
4.
5.
6.

What is UHECRs?
Where are they born and how?
How do they arrive on Earth?
How are they observed?
Underlying Basic Physics.
Discovery of unknown Nature?

• Remarkable advances in last 10 years.
• We are about to answer Questions.
• Better and Larger detector wanted.
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Problem #1: 起源の問題
なぜ、ソースが見えないのか、なぜ、これほど uniform / isotropic なのか、わからない。
南北問題を超えて、この素朴な疑問にチャレンジしたい。

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Detection ofRadio Signal fromUHECR, R&D
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マイクロ波による超高エネルギー宇宙線観測
1. 通信機器の普及によって、比較的安価で高性能化ができる。
2. 空気シャワー全体からの放射を測定でき、化学組成を含めた測定も可能か？
3. 歴史的にいろいろな測定方法が提案され、研究されてきた。 現在もっとも活発に研究は下の５つ。
4. ここ数年で急速に発達している。

数eV自由電子①大気分子制動放射e+e-②チェレンコフ放射（電波領域までスペクトルが伸びているかもしれない）③地球磁場によるシンクロトロン放射④ Askaryan 効果による高エネルギーニュートリノ検出⑤前方散乱レーダーでのエコー検出
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Geo-Synchrotron放射によるMHz帯マイクロ波検出
歴史的に東工大で詳細な研究がされているAERA(アェラ)：Auger観測所の中にアンテナを設置し、スーパーハイブリット観測を実施

LOFAR:30-240MHzのアンテナを高密度で並べたStationを複数の国に配置している。
電波強度の詳細な横方向分布を測定。この分布はシャワー全体の放射。

LOPES：KASKADEの中にアンテナを展開。電波観測で「エネルギーを測定できる」ことを証明した。
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大気分子制動輻射（MBR, GHz)の検出①
100% duty cycleの大気蛍光観測の可能性

CROME：KASKADEの中にBSアンテナを設置• パラボラによりシャワーイメージを撮像しようとしている• 1年間の観測で20eventsの信号を検出• 全て前方放射のみで、等方的な放射は検出できていない。
• チェレンコフ放射を検出している可能性。

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大気分子制動輻射の検出②
EASIER: AugerのSD水タンクにアンテナを取り付けている。
３つあるPMTのうち１つのHigh Gainチャンネルに信号を入れている。これにより、少なくとも検出器のダイナミックレンジを上げることができる。

SDGHｚ• 14EeV, 天頂角30度, Core Distance 140m
• coreに近いアンテナのみ上の信号を検出。
• 等方放射は検出されなかった。

電子ビームを使った実験ではMBR等方放射が確認されている。空気シャワーからの放射が検出可能なレベルかどうかはまだ結論が出ていない。
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TARA: forward RADAR in Utah

20 kW 発振へ

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Future Plans

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将来計画

Ground andSpace

1. ~1,000 events, E > 1019.8 eV,
2. 30 ~ 40 x 103 km2
3. 国際協力

Next Generation G. Detector

JEM/EUSO

蛍光望遠鏡
地表アレイ
and/or×with “μ” -ID
hybrid 「電波」観測

宇宙からの蛍光観測• max. info. from UHE event• ~北半球• “Particle Physics” capability• ~100 M Euro （欧・日・米）• max. coverage at UHE• 南北 uniform sampling• “Astrophysics”• space funding

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空気シャワー観測の歴史
1912 Cosmic Ray (V.Hess)
1938 Air Shower (P.Auger)
1956 核研ASアレイ (小田）1961 Extra-galactic CR (B.Rossi)
1962 1020 eV CR (J.Linsley)
蛍光観測の提案（菅, A.Chudakov）
1966 GZK prediction
蛍光検出器 （K.Greisen@Cornel）
1968 蛍光イベント初観測（棚橋@堂平）
1976 Fly’s Eye proto (Utah group)
1979 Satellite Observ. Idea (J.Linsley)
1994 GZK cutoff? by FE-1
1995 “EUSO” concept （高橋）1998 Extended spectrum (AGASA)
2008 GZK cutoff by HiRes
cutoff by PAO
2010 Proton composition (HiRes)
composition going heavy (PAO)2012 cutoff の確認 （TA）
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