[論文レビュー] Extreme Universe Space Observatory on a Super Pressure Balloon 1 calibration: from the laboratory to the desert

Jenni Adams, Shadab Alam+64 more|arXiv (Cornell University)|Nov 18, 2020

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 20被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、超高エネルギー宇宙線を蛍光光によって検出することを目的とした、ストロスフィア気球搭載型紫外線望遠鏡であるExtreme Universe Space Observatory on a Super Pressure Balloon 1 (EUSO-SPB1) の発射前キャリブレーションを提示する。ラベルベースのトリガ効率、方位分解能、フラットフィールド測定を含むラボおよび現地試験を通じて、本装置は10%の絶対的光検出効率、11.1°の視野角、および1度未満の方位分解能を達成し、宇宙線検出に向けた準備が整っていることを裏付けた。

ABSTRACT

The Extreme Universe Space Observatory on a Super Pressure Balloon 1 (EUSO-SPB1) instrument was launched out of Wanaka, New Zealand, by NASA in April, 2017 as a mission of opportunity. The detector was developed as part of the Joint Experimental Missions for the Extreme Universe Space Observatory (JEM-EUSO) program toward a space-based ultra-high energy cosmic ray (UHECR) telescope with the main objective to make the first observation of UHECRs via the fluorescence technique from suborbital space. The EUSO-SPB1 instrument is a refractive telescope consisting of two 1m$^2$ Fresnel lenses with a high-speed UV camera at the focal plane. The camera has 2304 individual pixels capable of single photoelectron counting with a time resolution of 2.5$\mu$s. A detailed performance study including calibration was done on ground. We separately evaluated the properties of the Photo Detector Module (PDM) and the optical system in the laboratory. An end-to-end test of the instrument was performed during a field campaign in the West Desert in Utah, USA at the Telescope Array (TA) site in September 2016. The campaign lasted for 8 nights. In this article we present the results of the preflight laboratory and field tests. Based on the tests performed in the field, it was determined that EUSO-SPB1 has a field of view of 11.1$^\circ$ and an absolute photo-detection efficiency of 10%. We also measured the light flux necessary to obtain a 50% trigger efficiency using laser beams. These measurements were crucial for us to perform an accurate post flight event rate calculation to validate our cosmic ray search. Laser beams were also used to estimated the reconstruction angular resolution. Finally, we performed a flat field measurement in flight configuration at the launch site prior to the launch providing a uniformity of the focal surface better than 6%.

研究の動機と目的

• 制御されたラボおよび現地試験を用いて、発射前のEUSO-SPB1検出器の性能を特徴づける。
• 蛍光光を介して超高エネルギー宇宙線（UHECR）に起因する広がりたる空気シャワー（EAS）の軌跡を検出・再構成できるかを検証する。
• 光検出効率、視野角（FoV）、トリガ効率、方位分解能といった重要な装置パラメータを測定する。
• 部品（PDMおよび光学系）およびエンドツーエンド構成におけるキャリブレーションの正確性と一貫性を保証する。
• ベースライン性能指標を確立することで、飛行後のイベントレート計算および源再構成を正確に行えるようにする。

提案手法

• パリのAPC研究所で、統合スフィアおよび校正済み378 nm LED光源を用いて、写真検出モジュール（PDM）の相対的および絶対的フォトメトリックキャリブレーションを実施した。
• コリメートドレーザビームと校正済みフォトダイオードを用いて、2レンズおよび3レンズ構成の光学効率を測定し、光透過率を特定した。
• 米国ユタ州のTelescope Array施設で、8泊の現地キャンペーンを実施し、EASに起因する蛍光信号を模擬するためのパルスUVレーザーを用いた。
• レーザーパルスエネルギーの関数としてのトリガ効率を測定し、50%検出閾値（0.9 mJ）を特定し、装置感度の妥当性を検証した。
• 発射地点のワナカ（ニュージーランド）でフラットフィールド測定を実施し、ピクセル間の感度均一性（6%未満の変動）を評価した。
• 光学軸からの角度を13°〜88°に変化させたレーザー発射を実施し、幾何的シャワーモデルへの時間フィッティングを用いて、シャワー到着方向を再構成し、方位分解能を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 EUSO-SPB1装置の絶対的光検出効率は何か？ また、個々の部品のラボ測定結果と比較するとどうなるか？
• RQ2 現地試験から得られたEUSO-SPB1装置の有効視野角（FoV）は何か？
• RQ3 装置が50%のトリガ効率を達成するレーザーパルスエネルギーは何か？ これは、3.5 EeVの広がりたる空気シャワーが33 km高度、45°の天頂角で発生させる予想される信号レベルとどのように関係するか？
• RQ4 現実的な現地条件下での装置の再構成方位分解能は何か？ また、シャワー入射角に応じてどのように変化するか？
• RQ5 焦点面上での感度はどれほど均一か？ また、非均一性がイベント再構成に与える影響は何か？

主な発見

• EUSO-SPB1装置の絶対的光検出効率は10% ± 1%と測定され、PDMおよび光学系のラボ測定結果の組み合わせと整合的であった。
• Telescope Array施設での現地測定から、装置の視野角は11.1° ± 0.2°であると特定された。
• 355 nmのレーザーパルスエネルギー0.9 mJで50%のトリガ効率が達成された。これは、33 km高度、45°の天頂角で発生する3.5 EeVの広がりたる空気シャワーの予想される信号レベルに対応する。
• 最悪ケース（13°入射角）においても再構成方位分解能は2.2°未満であり、68°では0.4°まで改善された。これは、傾いたシャワーに対しても高い方向再構成精度を示している。
• 発射地点でのフラットフィールド測定により、焦点面上でのピクセル感度均一性が6%未満であることが確認され、信頼性の高いイベント再構成が可能となった。
• 装置は系統的0.9°のずれを示し、再構成角度が低めに偏っていた。これは、レーザー傾きまたは望遠鏡指向のキャリブレーションにずれがある可能性があるためと推定される。