[論文レビュー] A Proportional Wire Chamber Array: GRAND's Status

J. Poirier, C. D’Andrea+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 18, 2003

Vibration and Dynamic Analysis被引用数 3

ひとこと要約

本論文では、ノートルダム大学に設置された100m × 100mの位置に敏感な比例ワイヤーチェンバーのアレイ、GRANDを紹介する。このアレイは、広がりのある空気シャワーとミューオンの軌道を、2つの同時トリガーによって検出することを目的としている。96%の運用効率を達成し、ミューオンの方位角分解能を0.26°で測定し、高エネルギーガンマ線の特徴として単一ミューオンを用いる。太陽フレアと6σの相関を示し、右帰経方向における変動がたった0.23%にとどまることから、ミューオンの到来方向はほぼ等方的であることが確認された。

ABSTRACT

Project GRAND is a 100m x 100m air shower array of position sensitive proportional wire chambers (PWCs) located at 41.7 degrees North and 86.2 degrees West at an elevation of 220m above sea level. Its convenient location adjacent to the campus of the University of Notre Dame makes it a good training ground for students. There are 64 stations each with eight 1.29 m^2 PWCs. The geometry of the stations allows for the angles of charged secondaries to be determined to within 0.26 degrees in each of two orthogonal planes; muons are differentiated from electrons and hadrons by means of a steel plate. Two triggers are run simultaneously: a multiple hit coincidence trigger, rich in extensive air showers, and a single track trigger, rich in secondary muon tracks. The former trigger is sensitive to primary energies greater than ~100 TeV, the latter to energies greater than ~10 GeV.

研究の動機と目的

• 訓練と研究のための高効率で学生フレンドリーな宇宙線検出アレイの開発。
• スペクトルの膝付近（約100 TeV）における宇宙線の組成を、ミューオン追跡とシャワー再構築を用いて測定すること。
• 高エネルギーガンマ線を、その二次的ミューオンの特徴として単一ミューオントリガーを用いて検出すること。
• ミューオン到来方向の非等方性、特に太陽および恒星の効果を調査すること。
• 太陽フレアなどの一時的イベントととの相関を通じて、単一ミューオンがガンマ線原初粒子の特徴として使用可能であることを検証すること。

提案手法

• アレイは64のステーションから構成され、それぞれが直交するxおよびy平面に配置された8つの1.29 m²の比例ワイヤーチェンバー（PWC）を備え、下部のx平面の上に50 mmの鋼鉄板を設置してミューオンと電子・ハドロンを区別している。
• 2つの同時トリガーが用いられている：シャワー・トリガーは、3つのステーションが時間的に一致し、4つが一致とマークされる必要がある。一方、単一軌道トリガーは800 Hzのオシレーターを用い、7 μsで全40,960本のワイヤーを読み出す。
• シフトレジスタメモリが、読み出しまでのワイヤー状態を保持し、WWVB同期時計を用いて1 msの精度で絶対時刻を記録している。
• シャワー・トリガーは圧縮データを8 mm Exabyteテープに記録するが、一方単一軌道トリガーは、各平面に1〜2本のヒットがあるステーションを選別し、テープへの書き込み前に900件の候補を保持する。
• CORSIKAとFLUKAを用いたモンテカルロシミュレーションにより、ガンマ線やプロトンを含む原初宇宙線に対するGRANDの応答をモデル化し、予測されるミューオン生成数は1 TeVあたり0.23個である。
• 等方性の分析には、ミューオンを1° × 1°の右帰経/赤経のビンに分け、滑らかさテスト（σ/平均 < 0.03）を適用して統計的変動が著しいデータを除外している。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 GRANDは、広がりのある空気シャワーからのミューオンを検出する際、どの程度の方位角分解能と効率を達成しているか？
• RQ2 単一ミューオンは、高エネルギーガンマ線原初粒子の信頼できる特徴として機能するか？
• RQ3 ミューオンの到来方向にどの程度の非等方性が存在し、右帰経と太陽時刻の変動の原因は何か？
• RQ4 GRANDは、太陽フレアなどの既知の天体的イベントと、一時的なミューオンバーストをどの程度相関させられるか？
• RQ5 GRANDは、スペクトルの膝付近における原初宇宙線の組成をどの程度の感度で検出できるか？

主な発見

• GRANDは96%の運用効率を達成し、統計的変動が著しいデータを除外するための3%の滑らかさカットを適用した後、1,295件の有効なデータファイルを経て1010億個のミューオンを記録した。
• アレイはミューオンの方位角分解能を0.26°で測定したが、大気的および地球磁気的効果により、原初方向再構築の有効分解能は±3°–5°に低下する。
• 右帰経方向におけるミューオンの分布は、等方性からたった0.23%の変動しか示さず、宇宙線の到来方向が極めて等方的であることを示している。
• 最大の変動は太陽時刻の分布に見られ（0.55%）、これは太陽磁場効果によるものと推定され、恒星の変動の2倍以上である。
• 2001年4月15日の太陽フレアと0.6時間のミューオンバーストの間で6σの相関が観測され、GRANDが一時的高エネルギーイベントを検出できる能力を確認した。
• 単一ミューオンはガンマ線原初粒子の検出可能な特徴であることが判明し、FLUKAシミュレーションでは、通常入射時における1 TeVあたり0.23個のミューオンが予測されている。