[論文レビュー] Design study of an air-Cherenkov telescope for harsh environments with efficient air-shower detection at 100 TeV

J. Auffenberg, T. Bretz+7 more|arXiv (Cornell University)|Nov 5, 2015

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 5

ひとこと要約

本論文では、南極のような過酷な環境で100 TeV以上のエネルギーを持つ宇宙線空気シャワーを検出することを目的として、SiPMベースの空気チェレンコフ望遠鏡IceActのプロトタイプを提示する。507 mmのフォトレンレンズとウィンストンコーン光ガイドを用い、12°の視野角を実現し、シリコンフォトマルチプライヤー（SiPM）を用いてチェレンコフ光子を検出する。明るい月の夜の晴れた夜に、空気シャワーの信号を明確に検出する成功した現地試験を実施した。

ABSTRACT

Telescopes, designed with semi-conductor based photo sensors, have the potential to detect Cherenkov or fluorescence light emitted by cosmic-rays in the atmosphere. Such telescopes promise a high duty cycle and efficiency in remote harsh environments. Given the relatively low costs and robustness of these instruments, this technology could prove interesting especially if deployed in large numbers with existing and future extended cosmic-ray and gamma ray detectors, including the Pierre Auger observatory, HAWC, IceCube and CTA. They may have the potential to enhance the sensitivity of these instruments for the detection of high-energy gamma rays and cosmic-ray air showers. In addition, for neutrino telescopes such a technology could prove to be an efficient cosmic-ray veto on the surface. In this contribution the current motivation, design, and development of a prototype SiPM based air Cherenkov telescope is described. The results of initial sensitivity studies, and the readiness of the system for first tests, including those proposed for the South Pole are shown.

研究の動機と目的

• 過酷な環境下でも効率的に高エネルギー宇宙線空気シャワーを検出可能な、低コストで耐障害性のあるSiPMベースの空気チェレンコフ望遠鏡の開発。
• IceCubeの表面遮断系として、宇宙線由来のミューオン背景を空気シャワーのチェレンコフ光を検出することで低減する。
• 南天の天体物理学的ニュートリノ探索のため、高い検出効率と100 TeV未満の低エネルギー閾値を達成する。
• 南極のような極限環境への設置に適したプロトタイプの実用性を、現地試験を通じて検証する。
• 大規模なニュートリノおよび宇宙線観測所の感度を拡張するためのスケーラブルで高効率稼働可能な空気チェレンコフ望遠鏡の可能性を検討する。

提案手法

• 望遠鏡は、12°の視野角を持つ507 mmのフォトレンレンズを用い、空気シャワーからのチェレンコフ光子を収集する。
• 光は7本のウィンストンコーンを介して7個のSiPMピクセルに導かれる。各ピクセルはUV感度を向上させるためにSchott UG11フィルターガラスで覆われる。
• 97%のUV透過率を有するガラス板が、雪やゴミから光学系を保護しつつ、光損失を最小限に抑える。
• 光子によって誘導される電流を測定可能な電圧パルスに変換するため、470 Ωのコンパクトなコンデンサを備えた電流-電圧変換アンプ（トランスインダクタンスアンプ）が使用される。
• DRS4評価基板が10 nsの時間分解能で信号をデジタル化し、500 nsの動的ウィンドウ内で一致トリガーを可能にする。
• 寒冷環境下でも最適なゲインを維持し、ダークカウントレートを低減するために、温度依存の高電圧バイアスがSiPMに適用される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SiPMベースの空気チェレンコフ望遠鏡は、極限環境下でも十分な感度と100 TeV以上の低エネルギー閾値を達成できるか？
• RQ2 実際の現場条件下で、IceActプロトタイプは本物の空気シャワーのチェレンコフ信号を背景ノイズからどれほど効果的に区別できるか？
• RQ3 このような望遠鏡が、宇宙線由来のミューオンを遮断することで、IceCubeにおける天体物理学的ニュートリノ検出効率をどの程度向上できるか？
• RQ4 曇りや月明かりなどの変動する大気条件下でのプロトタイプの性能特性はいかがなものか？
• RQ5 南極のような遠隔で過酷な環境下でも、信頼性高く高効率稼働を実現できるか？

主な発見

• 2015年3月の現地試験により、プロトタイプが南極への設置に適した状態にあることが確認され、明るい月の晴れた夜にチェレンコフ光パルスを正常に検出できた。
• 曇りの夜と比較して、晴れた夜には大振幅で急激に上昇するパルスを示すイベント率が顕著に高かった。これは空気シャワーの信号を検出していることを示している。
• 複数のピクセルで大きなパルス振幅と高い一致度を示すイベントが検出され、空気シャワー由来のチェレンコフ放射の期待される特徴と一致した。
• 低温環境下でも安定した動作を示し、温度依存の高電圧制御によりSiPMの性能が一貫して維持された。
• エネルギー閾値は約100 TeVに達しており、天体物理学的ニュートリノ遮断に適した高エネルギー空気シャワーを検出可能である。
• シミュレーションと現場データから、このような望遠鏡は1年間に最大40個の100 TeV帯の天体物理学的ニュートリノを検出可能であり、IceCubeの感度をそのエネルギー帯で倍増させ得ると示唆された。