[論文レビュー] Modeling the Optical Cherenkov Signals by Cosmic Ray Extensive Air Showers Directly Observed from Sub-Orbital and Orbital Altitudes

Austin Cummings, Roberto Aloisio+2 more|arXiv (Cornell University)|May 7, 2021

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 47被引用数 28

ひとこと要約

この論文は、低軌道および軌道上プラットフォームから地上の縁を上空から観測した高エネルギー宇宙線広大空気シャワー（EAS）の光学チェレンコフ信号を、カスタマイズされたシミュレーションフレームワークを用いてモデル化している。EUSO-SPB2およびPOEMMAにおいて、時間当たり何百ものイベント率を予測し、チェレンコフ検出器の飛行中キャリブレーション源としての宇宙線バックグラウンドの実現可能性を示している。

ABSTRACT

Future experiments based on the observation of Earth's atmosphere from sub-orbital and orbital altitudes plan to include optical Cherenkov cameras to observe extensive air showers produced by high-energy cosmic radiation via its interaction with both the Earth and its atmosphere. As discussed elsewhere, particularly relevant is the case of upward-moving showers initiated by astrophysical neutrinos skimming and interacting in the Earth. The Cherenkov cameras, by looking above Earth's limb, can also detect cosmic rays with energies starting from less than a PeV up to the highest energies (tens of EeV). Using a customized computation scheme to determine the expected optical Cherenkov signal from these high-energy cosmic rays, we estimate the sensitivity and event rate for balloon-borne and satellite-based instruments, focusing our analysis on the Extreme Universe Space Observatory aboard a Super Pressure Balloon 2 (EUSO-SPB2) and the Probe of Extreme Multi-Messenger Astrophysics (POEMMA) experiments. We find the expected event rates to be larger than hundreds of events per hour of experimental live time, enabling a promising overall test of the Cherenkov detection technique from sub-orbital and orbital altitudes as well as a guaranteed signal that can be used for understanding the response of the instrument.

研究の動機と目的

• 地上の縁を上空から観測する宇宙線広大空気シャワー（EAS）からの光学チェレンコフ放射を、低軌道および軌道プラットフォームを用いてモデル化すること。
• EUSO-SPB2およびPOEMMAのような将来の機器の感度と予想されるイベントレートを、高高度からのチェレンコフ検出技術に焦点を当てて評価すること。
• 地上の縁を上空から観測する宇宙線イベントが、チェレンコフ望遠鏡の飛行中キャリブレーション源としての可能性を評価すること。
• 大気の屈折による屈折チェレンコフ光のバックグラウンドを定量化すること。これはニュートリノ誘発イベントを模倣する可能性がある。
• これらの信号を用いた機器応答の特徴付けと一次粒子エネルギー再構築の可能性を検討すること。

提案手法

• ニュートリノ誘発EASに関する先行研究で開発されたカスタマイズされた計算スキームを改変し、地上の縁を上空から観測する宇宙線誘発EASからのチェレンコフ放射をモデル化した。
• 希薄な上層大気における粒子カスケードの発展を、地上の縁を上空から観測する幾何学的配置を考慮してシミュレートした。
• チェレンコフ光子の発生量と伝播を計算し、シャワー起源の誤再構築を引き起こす可能性のある大気の屈折効果を含めた。
• 信号の減衰と配向分布を計算するために、屈折率および消光に関する詳細な大気モデルを用いた。
• 2つのミッション概念（EUSO-SPB2：33 km高度のバルーン搭載型、POEMMA：525 km高度の軌道型）を対象に、異なる光学系と視野を想定してシミュレーションを実施した。
• 時間分解信号モデリングを、10–20 nsの統合時間を持つ高速撮影能力と統合し、検出可能性とトリガー効率を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 EUSO-SPB2およびPOEMMAミッションにおいて、地上の縁を上空から観測する宇宙線EASからの光学チェレンコフ信号の予想されるイベントレートはどの程度か？
• RQ2 大気の屈折は、地上の縁を上空から観測する宇宙線シャワーの再構築にどのように影響を与え、ニュートリノ検出におけるバックグラウンドとしての影響は何か？
• RQ3 宇宙線EASからのチェレンコフ信号特性（空間分布、時間構造、光子スペクトル）は、ニュートリノ誘発EASとどの程度類似しているか？
• RQ4 地上の縁を上空から観測する宇宙線イベントは、低軌道および軌道プラットフォームのチェレンコフ望遠鏡にとって信頼できる飛行中キャリブレーション源として機能できるか？
• RQ5 これらの信号を用いて、高高度チェレンコフ検出器のエネルギー再構築と機器応答の検証の可能性はどの程度か？

主な発見

• EUSO-SPB2およびPOEMMAの両ミッションにおいて、地上の縁を上空から観測する宇宙線EASの予想されるイベントレートは、時間当たり何百ものイベントに達し、強力で連続的なキャリブレーション信号を提供する。
• 地上の縁を上空から観測する宇宙線EASからのチェレンコフ信号は、地上の縁を下から観測するニュートリノ誘発EASとほぼ同一の空間的・時間的プロファイルおよび類似した光子スペクトルを持つ。
• 大気の屈折により、地上の縁を上空から観測する宇宙線信号は、縁の下から発生したように再構築される可能性があり、ニュートリノ検出における顕著なバックグラウンドを形成する。
• ニュートリノのフラックスと同程度のエネルギー領域において、宇宙線イベントのフラックスが4桁以上も高いことから、飛行中の機器応答テストに最適である。
• これらの信号は、既存のチェレンコフ望遠鏡設計（例：EUSO-SPB2およびPOEMMA）で検出可能であり、高高度からの検出技術の実現可能性を確認している。
• 結果は、宇宙線イベントを、光学系からトリガー系に至るまで、チェレンコフ信号再構築の全プロセスを実飛行条件下で検証するためのベンチマークとして使用することを支持している。