[論文レビュー] Neutrino Telescope Array Letter of Intent: A Large Array of High Resolution Imaging Atmospheric Cherenkov and Fluorescence Detectors for Survey of Air-showers from Cosmic Tau Neutrinos in the PeV-EeV Energy Range

M. Sasaki, George Wei-Shu Hou|arXiv (Cornell University)|Aug 26, 2014

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 8被引用数 7

ひとこと要約

ニュートリノ望遠鏡アレイ（NTA）は、ペブトン・エクサボルト（PeV-EeV）エネルギー範囲の地球スクリーニング・タウニュートリノ大気シャワーを、イメージング大気チェレンコフおよび蛍光検出器を組み合わせた大規模かつ広視野の観測所として提案している。サブ・デグリーの指向精度を活用したタウシャワーの地球スクリーニング法により、バックグラウンドフリーで高感度の調査を実現し、天体的ハドロン加速および宇宙線起源の決定的証明を提供することを目的としている。

ABSTRACT

This Letter of Intent (LoI) describes the outline and plan for the Neutrino Telescope Array (NTA) project. High-energy neutrinos provide unique and indisputable evidence for hadronic acceleration. Recently, IceCube has reported astronomical neutrino candidates in excess of expectation from atmospheric secondaries, but is limited by the water Cherenkov detection method. A next generation high-energy neutrino telescope should be capable of establishing indisputable evidence for cosmic high-energy neutrinos. It should not only have orders-of-magnitude larger sensitivity, but also enough pointing accuracy to probe known or unknown astronomical objects, without suffering from atmospheric secondaries. The proposed installation is a large array of compound eye stations of imaging atmospheric Cherenkov and fluorescence detectors, with wide field of view and refined observational ability of air showers from cosmic tau neutrinos in the PeV-EeV energy range. This advanced optical complex system is based substantially on the development of All-sky Survey High Resolution Air-shower detector (Ashra) and applies the tau shower Earth-skimming method to survey PeV-EeV tau neutrinos. It allows wide (30 deg x 360 deg) and deep (~400 Mpc) survey observation for PeV-EeV tau neutrinos assuming the standard GRB neutrino fluence.In addition, it enjoys the pointing accuracy of better than 0.2 deg in essentially background-free conditions. With the advanced imaging of Earth-skimming tau showers in the wide field of view, we aim for clear discovery and identification of astronomical tau neutrino sources, providing inescapable evidence of the astrophysical hadronic model for acceleration and/or propagation of extremely high energy protons in the precisely determined direction.

研究の動機と目的

• アイスカイブのような現在の検出器の限界を克服し、宇宙高エネルギーニュートリノの決定的証明を確立すること。
• 地球スクリーニング法を用いてペブトン・エクサボルト（PeV-EeV）エネルギー範囲のタウニュートリノを検出することにより、高感度および方向精度の高い検出を実現すること。
• サブ・デグリーの指向精度を用いて、高エネルギーニュートリノ源を調査し、AGN や GRB のような天体的加速器を同定すること。
• 特に超高エネルギー領域において、既存のニュートリノ望遠鏡と比較して桁違いに高い感度を達成すること。
• 大気中のタウシャワーが示す特徴的なシグナルを活用することで、天体的ニュートリノ検出のバックグラウンドフリーな環境を実現すること。

提案手法

• 広視野（30° × 360°）観測を可能にする、イメージング大気チェレンコフおよび蛍光検出器を統合した複合眼型検出器ステーションの大型アレイを設置する。
• 地球スクリーニング検出法を活用し、高エネルギーのタウニュートリノが地球内で相互作用し、タウレプトンを生成。そのタウレプトンが大気中で崩壊し、表面装置で検出可能な広範囲の空気シャワーを発生させる。
• 高分解能イメージングを用いて、シャワーの幾何学的構造とエネルギーをサブ・デグリーの角度分解能（0.2°未満）で再構成する。
• アシュラ-1およびヌーテルプロジェクトの経験とハードウェア設計を活用し、開発リスクを低減し、導入を加速する。
• 4つのサイトにわたるスケーラブルな展開を可能にするモジュラー設計を採用。各検出器ユニット（DU）は4つの光収集器とトリガ/読み出しシステムを含む。
• 高精度なトリガおよび読み出し電子回路を導入し、まれな高エネルギー空気シャワーイベントを効率的に特定・記録し、死時間を最小限に抑える。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 チェレンコフおよび蛍光検出器の大型アレイは、地球スクリーニング法を用いてペブトン・エクサボルト（PeV-EeV）のタウニュートリノをバックグラウンドフリーに検出可能か？
• RQ2 このアレイ設計を用いた場合、宇宙的タウニュートリノの最小検出フラックスは何か？ また、アイスカイブの感度と比較するとどうなるか？
• RQ3 NTAはサブ・デグリーの指向精度を達成できるか？ これにより、高エネルギーニュートリノの天体的起源を特定可能か？
• RQ4 NTAがタウニュートリノ誘発空気シャワーを検出可能な有効な調査体積と深さ（約400メガパーセクまで）は何か？
• RQ5 アシュラ-1プロトタイプは、全NTA展開の設計および費用見積もりにどのように寄与できるか？

主な発見

• NTAは、標準的なGRBニュートリノフラクチュエーションを仮定した場合、ペブトン・エクサボルト（PeV-EeV）のντに対して広視野（30° × 360°）かつ約400メガパーセクの深さの調査を実現する設計となっている。
• 検出器システムは、0.2°未満の指向精度を達成すると予想され、天体的ニュートリノ源の正確な局在化が可能となる。
• 1つの検出器ユニット（DU）の推定コストは約1億円であり、全アレイの総建設費用は推定50億円となる。
• NTAは、4つのサイト（Site0に12基、Site1に6基、Site2に6基、Site3に6基）に少なくとも30基のDUを展開し、各DUが32° × 32°の視野を有することで、全天空カバレッジを実現することを計画している。
• 2017年早期に最初のサイトの建設を開始し、2018年中に完全稼働を予定しているが、資金調達が成功した場合に限る。
• アシュラ-1プロトタイプは、運用を継続し、NTA開発のための技術的・データ的妥当性の検証プラットフォームとして機能することになっている。