[論文レビュー] Neutrino Telescope Array (NTA) - Towards Survey of Astronomical $ u_ au$ Sources

George W. S. Hou|arXiv (Cornell University)|Aug 28, 2014

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

ニュートリノ望遠鏡アレイ（NTA）は、地球をすり抜けるντイベントを用いたステレオスコピック・チェレンコフ・フラーレスセンス検出システムを提案し、ペブトン・エクサトン（PeV-EeV）の宇宙線的ニュートリノ源を調査する。山岳地帯を貫通するタウシャワーとハワイの3か所の高高度サイトを活用することで、NTAは100 km³を超える有効体積と0.2°未塔の指向精度を達成し、はっきりとしたバックグラウンドなしに、銀河系内、銀河外、および宇宙創生的源における非熱的ハドロン的過程の同定を可能にする。

ABSTRACT

The Earth-skimming $ u_{ au}$ method allows for huge target mass and detection volume simultaneously. In part motivated by IceCube PeV astro-neutrino events, the planned NTA observatory has three site stations watching the air mass surrounded by Mauna Loa, Mauna Kea, and Hualalai on Hawaii Island, plus a site station at the center watching the lower night sky. Sensitivities equivalent to $> 100$ km$^3$ water and pointing accuracy of $< 0.2^\circ$ can be achieved with Cherenkov-fluorescence stereoscopic observation for PeV-EeV neutrinos that is almost background-free. With design based on experience from Ashra-1 and the goal of clear discovery and identification of astronomical $ u_ au$ sources, a new international collaboration is being formed.

研究の動機と目的

• ペブトンとエクサトンの間の未開拓なエネルギー窓を、宇宙線的ニュートリノの観測技術が未だ未発達な状態で、解決すること。
• アイスカイブやオーガー観測所のような既存のニュートリノ観測所の限界を乗り越え、ペブトン・エクサトン範囲の点源を標的とすること。
• 宇宙における非熱的ハドロン的過程、特に銀河系内、銀河外、および宇宙創生的源の明確な発見と同定を可能にすること。
• 地球をすり抜けるντ法を活用し、最小限の大気的バックグラウンドで、大規模な有効標的質量と検出体積を実現すること。
• Ashra-1およびNuTel技術に基づく、国際共同研究を結成し、複数サイトにまたがる高分解能の大気シャワー検出器システムを構築すること。

提案手法

• 地球をすり抜けるντ検出法を活用：高エネルギーのντが地球や山岳地帯内でτレプトンに変換され、その後大気シャワーを生成する。
• ハワイの3か所の高高度サイト（マウナ・ロア、マウナ・ケア、フアラライ）に、ステレオスコピックなチェレンコフおよびフラーレスセンス望遠鏡アレイを設置し、全天360°のカバーを実現する。
• 約100 mの基線を有する二重望遠鏡ステレオトリガー方式を採用し、1度未塔の角分解能と改善されたシャワー再構築を達成する。
• クラスターベースのトリガーアルゴリズムとMAPMTを用いた読み出し電子回路を採用し、高時間分解能でのイベント検出を実現する。
• Ashra-1の高分解能で広視野の光学系（42° FOV、1インチの縮小）を、光子および電子光学と統合し、コスト効率が良く、高感度な検出を実現する。
• 中央サイトを用いて下部の夜空をモニタリングし、全天調査能力を向上させるとともに、方向再構築の精度を向上させる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 地球をすり抜けるντ法は、点源的ペブトン・エクサトンニュートリノ源を同定するのに十分な感度と角分解能を達成できるか？
• RQ2 有効体積を最大化し、バックグラウンドを最小限に抑えるために、複数サイトアレイにおける最適なサイト配置と検出器レイアウトは何か？
• RQ3 NTAシステムは、方向分解能の高さによって、アイスカイブのペブトン宇宙線的ニュートリノイベントの起源をどの程度解明できるか？
• RQ4 チェレンコフ検出とフラーレスセンス検出を組み合わせることで、再構築効率とバックグラウンド抑制はどの程度向上するか？
• RQ5 全天空カバーを達成するには、何台の検出器ユニットとその配置が必要か？<0.2°の指向精度を満たすには？

主な発見

• NTAの設計は、ペブトン・エクサトンニュートリノに対して100 km³を超える有効検出体積を達成し、高エネルギー源の高感度調査を可能にする。
• ステレオトリガー方式と最適化された光学系のおかげで、NTAは0.2°未塔の指向精度を達成し、2ギガパーセク以内の点源を同定する上で極めて重要である。
• 山岳遮蔽と、これらのエネルギー領域における大気的ニュートリノバックグラウンドの極めてまれさのおかげで、バックグラウンド抑制はほぼ完全に達成される。
• 全天空カバーを達成するには、少なくとも30台の検出器ユニット（DUs）が必要であり、各DUは4つの光集光器を備え、4か所のサイトに分散配置される。各DUの視野は32°×32°である。
• 建設にかかる費用の見積もりは約50億円であり、Ashra-1の経験に基づいて算出されたもので、全導入は5年間のスケジュールで予想される。
• 日本主導の資金が確保された場合、2018年までにSite0およびSite1の少なくとも一部の施設で実験運用を開始でき、同時にAshra-1はテストおよび科学的妥当性の検証を継続する。