[論文レビュー] Possibility of measurement of cosmic ray electron spectrum up to 100 TeV with two-layer water Cherenkov detector array

A. Neronov, D. Semikoz|arXiv (Cornell University)|Feb 16, 2021

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 1被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、100 TeVまで到達する宇宙線電子および陽電子スペクトルを測定するために、連続的なミューオン検出層を備えた海面上の二層構造水チェレンコフ検出器アレイを提案する。10 TeVでハドロン背景を約10⁻⁵に抑制することで、高高度での運用を要せず、電子とハドロン誘発シャワーにおけるミューオン含有量の違いを活用して、高精度な電子スペクトル測定が可能となる。

ABSTRACT

Measurements of cosmic ray electron+positron spectrum above 10 TeV with ground-based experiments is challenging because of the difficulty of rejection of hadronic extensive air shower background. We study the efficiency of rejection of the hadronic background with water Cherenkov detector array supplemented by muon detection layer. We show that addition of a continuous muon detection layer to the experimental setup allows to achieve a ~ 1e-5 rejection factor for hadronic background at 10 TeV and enables measurement of electron spectrum in 10-100 TeV energy range. We show that measurements of electron spectrum in this energy range do not require a high-altitude experiment and can be done with a sea-level detector.

研究の動機と目的

• 地上検出器を用いて10–100 TeVエネルギー範囲の宇宙線電子＋陽電子スペクトルを高精度で測定すること。
• 10 TeVでハドロン広大大気シャワー（EAS）が電子誘発EASのおよそ10⁴倍多いという背景抑制の課題に対処すること。
• 海面上の検出器に連続的なミューオン検出層を設けることで、電子スペクトル測定に十分な背景抑制が達成可能であることを示すこと。
• 既存の水チェレンコフニュートリノ検出器インfra構造を、宇宙線実験におけるミューオン検出に活用できるかの妥当性を評価すること。
• 電子スペクトル測定における海面上検出器と高高度検出器の性能を比較すること。

提案手法

• 表面の水チェレンコフ検出器（WCDA）の下に連続的なミューオン検出層を配置した二層構造水チェレンコフ検出器アレイ（WCDA）を活用する。
• 電子誘発とハドロン誘発広大大気シャワー（EAS）におけるミューオン含有量の差を背景分離に活用する。
• 水中のミューオン検出効率とチェレンコフ光出力のモデルを用いて、10–100 TeV範囲における信号対背景比を推定する。
• 数値的テンプレートを用いて電子および陽子誘発EASをシミュレートし、ミューオン含有量と時間的シグネチャーを比較して、背景抑制を最適化する。
• 統計誤差と5%の系統誤差モデルを用い、150×150 m²の面積、30°の天頂角受容範囲、1年間の露出時間で検出器性能を評価する。
• 海面上と4.5 km高度での性能を比較し、検出効率と背景抑制の両面で評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 海面上の二層構造水チェレンコフ検出器アレイに連続的なミューオン検出層を設けることで、10 TeVでハドロン背景抑制要因が約10⁻⁵に達するか？
• RQ2 100 TeVまで電子スペクトルを測定可能にするために必要なミューオン検出効率とレイアウトは何か？
• RQ3 電子スペクトル測定において、海面上検出器と高高度検出器の性能は10 TeV以上でどのように比較されるか？
• RQ4 既存の水中ニュートリノ検出器インfra構造（例：ANTARES、Baikal-GVD、KM3Net）は、宇宙線実験におけるミューオン検出層として再利用可能か？
• RQ5 電子スペクトルの急峻さが海面上での検出可能性に与える影響は何か？また、どの時点で高高度設置が不可避となるか？

主な発見

• 連続的なミューオン検出層を備えた二層構造水チェレンコフ検出器アレイは、10 TeVでハドロン背景抑制要因が約10⁻⁵に達し、10–100 TeV範囲の電子スペクトル測定が可能となる。
• HESSデータの上界外挿法に一致する10 TeVでのフラックスが実現されれば、海面上でも電子スペクトルが測定可能であり、信号統計は残余背景のおよそ10%に達する。
• VERITASや2008年HESSデータに一致するような低いフラックスレベルでは、電子信号の統計量が残余背景を下回り、追加の検出強化がなければ海面上での測定は不可能となる。
• 電子スペクトルが急峻な場合、10 TeV未満のエネルギー領域で高品質な測定を達成するには、高高度検出器（例：4.5 km）が不可欠となる。
• 海面上の二層構造検出器は、20 TeV以上では高高度検出器と同等の測定品質を達成でき、高高度の利点がなくてもよい。
• 既存の浅い深さの水チェレンコフニュートリノ検出器インfra構造（例：ANTARES、Baikal-GVD、KM3Net）は、最大20 mのモジュール間隔のスパarsなレイアウトと大口径12インチPMTを用いることで、ミューオン検出に再利用可能である。