[論文レビュー] JEM-EUSO Science Objectives

Gustavo Medina‐Tanco, Katsuaki Asano+11 more|arXiv (Cornell University)|Sep 21, 2009

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 5

ひとこと要約

JEM-EUSOは、国際宇宙ステーション（ISS）に設置された大口径望遠鏡を用いて、広大な大気圏をカバーする画期的な露出を実現することで、広範な大気シャワーを介して超高エネルギー宇宙線（EECRs）を観測する、初めての宇宙ベースの観測所を提案している。この観測所は、方向性の源同定、スペクトル測定、ニュートリノ検出を可能にし、主な成果としてGZK抑制の確認、宇宙創生ニュートリノフラックスへの感受性、およびローレンツ不変性破れや追加次元による新物理の可能性の発見を含む。

ABSTRACT

JEM-EUSO, on board of the Japanese Exploration Module of the International Space Station, is being proposed as the first space observatory devoted to UHECR. Its privileged position at 430 km above the Earth surface, combined with a large field of view, innovative optics and a high efficiency focal surface, results in an unprecedented exposure which significantly surpasses that of the largest ground observatories. The large number of events expected above the GZK threshold for photo-pion production by protons will allow the directional identification of individual sources and the determination of their spectra, i.e., doing astronomy and astrophysics through the particle channel. Similar goals can be achieved in the case of light UHECR nuclei. Furthermore, the atmospheric target volume ($\sim 10^{12}$ ton) makes the possibility of neutrino observation a highlight of the mission. Other exploratory objectives include the detection of extreme energy gammas and the study of Galactic magnetic fields as well as global observations of the earth's atmosphere, including clouds, night-glows, plasma discharges, and meteors. In this contribution we will describe the scientific objectives of JEM-EUSO.

研究の動機と目的

• AGASAとHiResの間で長年にわたり存在する超高エネルギー宇宙線（UHECR）スペクトル測定の不一致を解消し、宇宙からの高統計的データを提供すること。
• 高い方位分解能を用いて到着方向とエネルギースペクトルを測定することで、UHECRの天体的起源を同定すること。
• フォトパイオン生成および中性子崩壊過程から生じる宇宙創生ニュートリノを検出することで、源の赤方偏移進化および粒子加速メカニズムに関する知見を得ること。
• 高エネルギーニュートリノおよび宇宙線の衝突を用いて、ローレンツ不変性破れや追加次元モデルを含む、基礎物理学の検証を行うこと。
• 紫外線感度検出器を用いて、夜光、流れ星、トランジットライトニング、プラズマ放電などの大気現象を包括的に観測すること。

提案手法

• 国際宇宙ステーション（ISS）の日本実験モジュール（JEM）に設置された大口径望遠鏡（1.3 m径）を用い、UHECRが誘発する広範な大気シャワー（EAS）を観測する。
• 革新的な光学系と高効率な焦点面センサーを採用することで、広大な有効集光面積と広視野を実現し、10^12トンの大気をカバーする露出を最大化する。
• UV帯域（300–400 nm）におけるチェレンコフ光を2次元配列の光検出器で測定し、エネルギー、到達方向、および一次粒子の識別を再構築する。
• ナディア（垂直直接観測）モードとチルト（ずらし観測）モードの2通りの運用モードを採用し、上向きニュートリノへの感度を向上させるとともに、方位分解能を向上させる。
• Xmax（シャワー最大）および光子分率の高度な再構築アルゴリズムを適用し、バリオン的、電磁的、および可能性のあるガンマ線誘発シャワーを区別する。
• 到着方向パターンの統計的解析およびPSF歪みの分析を用いて、宇宙磁場構造を推定し、ローレンツ不変性の検証を行う。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 JEM-EUSOは、AGASAとHiResのUHECRスペクトルに関する不一致を解消し、GZK抑制を確認できるか？
• RQ2 UHECR源の方向的およびスペクトル的特徴は何か？個々の源を同定できるか？
• RQ3 宇宙創生ニュートリノのフラックスおよびエネルギースペクトルは何か？10^20 eV以上で検出可能か？
• RQ4 高エネルギーニュートリノ断面積の異常を用いて、ローレンツ不変性破れや追加次元の痕跡をJEM-EUSOが検出できるか？
• RQ5 夜光、流れ星、および雷光などの大気現象が紫外線帯域にどのように現れるか？系統的なモニタリングが可能か？

主な発見

• JEM-EUSOは5×10^19 eV以上のUHECRイベントを100,000件以上検出すると予想され、源の方向同定と高精度なスペクトル測定が可能になる。
• 宇宙創生ニュートリノのフラックス感度は、ワクスマン＝バハール限界を上回るが、追加次元モデルが正しい場合、1エネルギーデイジに100件以上のニュートリノイベントを検出可能となる。
• 直接チェレンコフ検出を用いた上向きニュートリノへの感度は、近隣のガンマ線バースト（GRB）で10^20 eVに達すると予想され、検出率は望遠鏡のチルト角度に依存する。
• ニュートリノから生じる水平および上向きEASの比率は、中心系エネルギーが約10^14 eV付近のニュートリノ断面積を定量的に測定する手段となる。
• 天の川磁場構造のトモグラフィー再構築が、UHECR源のスカイマップおよびエネルギー範囲におけるポイント spread function（PSF）の変形から可能になる。
• 大気観測は、夜光、流れ星、一時的発光現象に関する系統的データを提供し、紫外線帯検出能力により上層大気物理学に関する新たな知見が得られる。