[論文レビュー] Search for Extensive Photon Cascades with the Cosmic-Ray Extremely Distributed Observatory

P. Homola, Gopal Bhatta+21 more|arXiv (Cornell University)|Sep 15, 2017

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 3被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、遠方の天体的源によって生成される超高エネルギー光子の集合である広範囲にわたる光子カスケードを、分散型の検出器ネットワークを用いて検出することを目的とした宇宙線極めて分散型観測所（CREDO）を提案する。個々の光子に注目するのではなく、相関する大気シャワーのパターンに注目することで、現在の観測所の限界を克服し、超高エネルギー宇宙線の「トップダウン」モデルを検証する。これは、市民科学に基づく新規な手法であり、最高エネルギー領域の物理学を探る可能性を秘めている。

ABSTRACT

Although the photon structure is most efficiently studied with the accelerator instruments, there is also a scientifically complementary potential in investigations on photons produced in the outer space. This potential is already being explored with gamma ray telescopes, ultra-high energy cosmic ray observatories and, since very recently, by the Cosmic-Ray Extremely Distributed Observatory (CREDO). Unlike the former instruments focused on detection of single photons, CREDO aims at the detection of cascades (ensembles) of photons originating even at astrophysical distances. If at least a part of such a cascade reaches Earth, it might produce a unique pattern composed of a number of air showers observable by an appropriately dense array of standard detectors. If the energies of air showers constituting the pattern are relatively low and if the typical distances between the neighbors are large, the ensemble character of the whole phenomenon might remain uncovered, unless the CREDO strategy is implemented.

研究の動機と目的

• 超高エネルギー光子カスケードの検出における科学的ギャップを解消すること。これは『トップダウン』的宇宙線起源モデルによって予測されるが、放射束の厳密な制限のため未検出のままである。
• 単一粒子検出の限界を克服するため、個々の光子が観測に十分に希少である場合でも、相関する大気シャワーの集合に注目することでカスケードを検出することを目的とする。
• 低コストの検出器とスマートフォンベースの粒子検出アプリを用いた、世界規模の分散型で市民科学に依存する検出戦略を開発し、稀で相関のある宇宙線イベントへの感度を向上させること。
• 光子カスケードのシグネチャの観測を通じて、ローレンツ不変性の破れや量子電磁力学の非線形性を含む高エネルギー物理学理論モデルを検証すること。
• 理論的仮定に依存しない「予期しない物理現象の探索」を可能にするために、宇宙線データにおける非統計的時間的および空間的相関を同定すること。

提案手法

• 低コストの機器とスマートフォンベースの粒子検出アプリを含む世界規模の分散型宇宙線検出器ネットワークを活用し、大気シャワーのタイミングデータを収集する。
• 時間窓のスケールを変化させたさまざまなスケールで、検出器間における時間的および空間的相関を特定する、グローバルなデータ分析戦略を実装する。
• 光子カスケードの存在を示唆する可能性のある大気シャワーの集合を検出するための、新規のトリガリングおよびパターン認識アルゴリズムを適用する。
• 公開済みデータから得られるグローバル検出器パターンを生成・分類するCREDOモニターシステムを用い、人間が関与する異常パターンの分類を可能にする。
• Zooniverse上に展開されたDark Universe Welcome（DUW）市民科学プラットフォームを活用し、一般参加者が非ランダムなシャワーパターンを分類できるようにする。
• 機械学習とクラウドソーシングを統合し、専門的な統計解析の対象となる候補イベントを優先順位付けする。貢献者には共著者資格および評価が与えられる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 世界規模の分散型検出器ネットワークにおいて、相関する大気シャワーのパターンを通じて、超高エネルギー源に由来する広範囲の光子カスケードを検出可能か？
• RQ2 現在の実験で超高エネルギー（UHE）光子が観測されていないという事実を、それらのカスケード生成物の存在とどのように調和させることができるか。それらのカスケード生成物は代替的に観測可能か？
• RQ3 現在の検出器感度を考慮した場合、光子カスケードの検出可能限界は、粒子数、空間的広がり、時間的相関の観点からどの程度か？
• RQ4 市民科学と分散型コンピューティングは、従来の観測所では到達できない稀で非ランダムな宇宙線イベントの検出をどの程度向上させられるか？
• RQ5 宇宙線の到着時刻および空間的分布における非統計的相関は、ローレンツ不変性の破れやQED非線形性といった新しい物理現象を明らかにできるか？

主な発見

• CREDO戦略により、低フラックスおよび広範囲にわたる空間的分布のため、従来の単一粒子UHECRまたはガンマ線望遠鏡では検出不可能な光子カスケードが検出可能になる。
• 世界規模のネットワークアプローチにより、個々のシャワーのエネルギーが低く、シャワー間隔が広くても、相関する大気シャワー集合の観測確率が著しく向上する。
• CREDOモニターのプロトタイプは、公開済みデータから分類可能なグローバル検出器パターンを正常に生成・保存し、リアルタイムで大規模な監視の実現可能性を示した。
• Dark Universe Welcome（DUW）市民科学プラットフォームがZooniverse上に展開され、ユーザーフレンドリーなインターフェースを備えた、潜在的異常パターンの一般分類が可能になった。
• 貢献者に共著者資格および評価を付与する仕組みを確立し、一般参加を促進するインcentiveを提供した。
• 本フレームワークは、『トップダウン』的UHECRシナリオなどのモデル検証と、相関に基づく異常検出によるモデルに依存しない「予期しない物理現象の探索」を両立可能にした。