テレスコープアレイ計画５４：望遠鏡と地上アレイによるハイブリッド観測

2003/03/29 日本物理学会第５８回年会 1

Telescope Array Project

テレスコープアレイ計画５４：望遠鏡と地上アレイによるハイブリッド観

測

Ｔｅｌｅｓｃｏｐｅ　Ａｒｒａｙ　Ｃｏｌｌａｂｏｒａｔｉｏｎ

東京工業大学　理工学研究科　基礎物理学専攻　荻尾　彰一



共同研究者：井上直也 H、内堀幸夫 P、大岡秀行 L、大盛信晴 F、荻尾彰一、垣本史雄、賀来純一 D、笠原克昌 I、門多顕司 Q、河合秀幸 K、川上三郎 B、川隅典雄 R、木谷誠、小井辰巳 P、榊直人 S、坂田通徳 G、櫻井信之 L、篠野雅彦 M、篠崎健児 L、下平英明 L、竹田成宏 S、田中公一 N、田中真伸 E、千川道幸 D、手嶋政廣 L、鳥居礼子 L、永野元彦 O、中村亨 F、橋本勝巳 R、林嘉夫 B、林田直明 L、日比野欣也 C、福島正己 L、藤井啓文 E、本田健 R、間瀬圭一 L、松田武 E、宗像一起 J、安田仲宏 P、吉井尚 A、吉越貴紀 B、吉田滋 K

所属機関：東工大理、愛媛大理 A、大阪市大理 B、神奈川大工 C、近畿大理工 D、高エ研 E、高知大理 F、甲南大理 G、埼大理 H、芝浦工大システム工 I、信州大理 J、千葉大理 K、東大宇宙線研 L、通総研 M、広島市大情報 N、福井工大応用理化 O、放医研 P、武蔵工大工 Q、山梨大工 R、理研 S



ＡＧＡＳＡによる観測：エネルギースペクトル

ＧＺＫ限界を超える高エネルギー宇宙線を観測

１０年間　期待値１．６事象

（均一な宇宙線源分布を仮定）

　　　　　　観測１０事象　４．０ σ



ＡＧＡＳＡによる観測：到来方向分布

E > 10 19 eV

E > 10 19.6 eV

点源からの到来

E > 10 19 eV

E > 10 19.6 eV

点源からの到来

● Ｅ >１０１９．６

ｅＶ

■ Ｅ >１０２０ｅＶ

銀河面超

銀河

面

同一の点（２．５ ° 以内）から２つ以上の宇宙線が到来する事象

５　ｄｏｕｂｌｅｔｓ、１　ｔｒｉｐｌｅｔ

銀河面とは無相関１０１９．６ｅＶ（５９事象）の任意の２事象の離角分布

点源の存在を示唆

（５ σ 有意性）



ＧＺＫ限界を示唆するＨｉＲｅｓの結果

● ＨｉＲｅｓ－Ⅰ　Ｍｏｎｏ

■ ＨｉＲｅｓ－Ⅱ　Ｍｏｎｏ

▼ＡＧＡＳＡ

１０２０ｅＶ以上２事象（１９９８年以来）

宇宙線強度：　　１０１９．６ｅＶ以下でもＡＧＡＳＡの１／２

ＡＧＡＳＡに比べエネルギーが系統的に低い（単眼観測、散乱補正など）

　エネルギー決定の系統誤差

　　ＡＧＡＳＡ：　１８％

　　ＨｉＲｅｓ：　　２５％



ハイブリッド検出法による同時観測の重要性大気蛍光法

•縦方向発達

•カロリメトリックなエネルギー推定

•ステレオ観測による幾何学的な到来方向の推定

•蛍光の散乱、量子効率、反射率などの補正

地表アレイ法•粒子数の横方向分布

•地表での総粒子数

•粒子種によるエネルギー推定の系統誤差

•地表でのシャワーサイズから縦方向発達曲線のスケール補正

•大気蛍光の補正を高精度化

•横方向分布からのエネルギー推定法の実験的評価



最高エネルギー宇宙線源の同定

Normal　Galaxies

GRBs

AGN ν

Supergalactic plane?

Strong Magnetic　Field

Point sources?

Astrophysical Counterparts?

AGNs

No

Galactic Center?

Relic Particles T.D.

EHE neutrinos

Correlation? ν---γ

Yes

EHE ν

EHE

Cosmic RaysGamma rays Components?

Particle Physics Cosmology

Astrophysics

ＮＳ

Fe



ハイブリッド観測装置：ＴＡ　ｐｈａｓｅ－Ⅰ大気蛍光望遠鏡３ステーション　全４０台　直径３ｍ合成鏡、２５６ＰＭＴカメラ方位角１２０ °、仰角３ ° －３４ °

４０ｋｍ間隔

地表アレイシンチレーション検出器　５７６台　厚さ１ｃｍ、面積３ｍ２、１．２ｋｍ間エネルギー下限　１０１８．５ｅＶ　　　　　ＦＡＤＣの利用　　　　　到来方向決定精度　　１．０ °



期待される装置感度、観測事象数装置感度相対角度年間事象数

（ｋｍ２

ｓｒ）感度分解能＞１０１９ｅ

Ｖ＞１０２０ｅＶ

ＡＧＡＳＡ１６２＝１１．６ ° １００１地表アレイ１３７１８．

５１．０ ° ７００９

大気蛍光望遠鏡＊６７０４．１０．６ ° ３００４

同時観測＊＊１６５１．００．４ ° ８０１＊観測時間効率１０％と仮定　＊＊同１２％と仮定

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期待される結果：エネルギースペクトル、点源観測

ＡＧＡＳＡ　１０年ＴＡ－Ⅰ　３年観測数１０３５．３期待値（ＧＺＫカットオフ）

１．６５．６

有意性４．０ σ ８．３ σ

エネルギースペクトル：ｓｕｐｅｒ　ＧＺＫ事象

点源観測：ｄｏｕｂｌｅｔ事象角度ｄｏｕｂｌｅｔ数（３年、＞

１０１９．６ｅＶ）有意性

分解能信号ノイズＡＧＡＳＡ１．

６ °８１．６２．２ ×１０－

４

地表アレイ１．０ °

２０．３１．６１．２ ×１０－

１５

大気蛍光望遠鏡＊０．６ °

９．９０．３３．３ ×１０－

１３

同時観測＊＊０．４ °

８．００．１２．２ ×１０－

１４

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同時観測による系統誤差の圧縮•地表でのシャワーサイズを用いた縦方向発達曲線の補正　　　　エネルギー決定

•到来方向、コアポジションの補正　　　　縦方向発達曲線決定シミュレーション•エネルギー　１０１９、１０２０、１０２１ｅＶ　　　　　　　　各２００イベント•インパクトパラメーター　Ｒｐ＜１０ｋｍ•天頂角　＜６０ °•地表アレイによるサイズ決定精度　１０％

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エネルギー決定の系統誤差の要因•大気蛍光発光量、波長スペクトル•大気中での光のＲａｙｌｅｉｇｈ散乱、Ｍｉｅ散乱•鏡面反射率、フィルターの透過率、ＰＭＴの量子効率とその非一様性•幾何学的シャワー再構成•シャワー粒子のエネルギー損失率、その他

今回のシミュレーションでは、系統誤差の原因をＭｉｅ散乱に負わせるシミュレーション：減衰長２０ｋｍ、　　　　　　　　　　　スケール高１２００ｍ解析：　減衰長２０ｋｍ、　　　　　スケール高４００ｍ、２０００ｍ

１０２０ｅＶ

－２０％、＋２０％の系統誤差

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縦方向発達曲線の地表シャワーサイズによる補正

Ｅ＝１０２０ｅＶ４００

ｍ２０００ｍ

補正なし

補正あり

Ne ア (X 地上 ) / Ne 望 (X 地上 )

補正前補正後

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縦方向発達曲線の地表シャワーサイズによる補正

Ｍｉｅ散乱スケール高　　　　　　（１２００ｍ）

補正なし地表サイズで補正

１０１９ｅＶ

４００ｍ－９．５ ±６．０％

＋１４．９ ±１６．７％

２０００ｍ＋２１．７ ±６．０％

－４．１ ±１２．５％

１０２０ｅＶ

４００ｍ－１３．９ ±６．３％

＋１０．１ ±１８．４％

２０００ｍ＋２１．２ ±４．８％

＋４．８ ±１３．１％

１０２１ｅＶ

４００ｍ－１７．７ ±６．８％

＋８．６ ±１７．１％

２０００ｍ＋２１．８ ±５．８％

＋２．９ ±１１．７％

１０％以下の系統誤差（補正が効き過ぎ）

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まとめエネルギースペクトルの高精度測定　　　　　　ＡＧＡＳＡとＨｉＲｅｓの不一致　　　　　　エネルギー決定の系統誤差の圧縮

粒子組成測定、点源探索　　　　　　空気シャワーの縦方向発達の高精度観測　　　　　　高い角度分解能

•地表でのシャワーサイズから縦方向発達曲線のスケール補正

•大気蛍光の補正を高精度化

•横方向分布からのエネルギー推定法の実験的評価

•幾何学的シャワー再構成の補正

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まとめ

• エネルギースペクトルの高精度測定• 粒子組成測定• 点源探索

ＡＧＡＳＡの成果を継承し、ｓｕｐｅｒ－ＧＺＫ宇宙線の存在を確立する

ハイブリッド検出器による高精度観測

粒子線天文学の開拓

宇宙開闢の素粒子物理

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大気蛍光望遠鏡口径：３ｍ、１８枚の球面鏡の合成

仰角：１０．５ °（上）、２２．５ °（下）

視野：１８ °×１５．５ °

ＨｅｘｇｏｎａｌＰＭＴ（６０ｍｍ）　　　　　　　　 ×２５６ＦＯＶ：　１８ °×１５．５ °

ＢＧ３フィルター

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