[論文レビュー] Terzina on board NUSES: a pathfinder for EAS Cherenkov Light Detection from space

L. Burmistrov|arXiv (Cornell University)|Apr 24, 2023

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 5

ひとこと要約

Terzinaは、NUSESミッションに搭載された宇宙ベースのチェレンコフ望遠鏡であり、100 PeVを超える超高エネルギー宇宙線（UHECR）を、地球の縁で発生する広がり気圧シャワー（EAS）からのチェレンコフ光を観測することで検出することを目的としている。二重ミラー光学系とSiPMベースの焦点面カメラを用い、宇宙ベースのEAS検出の可能性を示した。データレート制約下でシミュレーションに基づくトリガーオプティマイゼーションにより、120 Hzの1ピクセルおよび1250 Hzの2ピクセル一致率を達成した。

ABSTRACT

In this paper we introduce the Terzina telescope as a part of the NUSES space mission. This telescope aims to detect Ultra High Energy Cosmic Rays (UHECRs) through the Cherenkov light emission from the extensive air showers (EAS) that they create in the Earth's atmosphere. The Cherenkov photons are aligned along the shower axis inside about $\sim 0.2-1^{\circ}$, so that they become detectable by Terzina when it points towards the Earth's limb. A sun-synchronous orbit will allow the telescope to observe only the night side of the Earth's atmosphere. In this contribution, we focus on the description of the telescope detection goals, geometry, optical design and its photon detection camera composed of Silicon Photo-Multipliers (SiPMs). Moreover, we describe the full Monte Carlo simulation chain developed to estimate Terzina's performance for UHECR detection. The estimate of the radiation damage and light background rates, the readout electronics and trigger logic are briefly described. Terzina will be able to study the potential for future physics missions devoted to UHECR detection and to UHE neutrino astronomy. It is a pathfinder for missions like POEMMA or future constellations of similar satellites to NUSES.

研究の動機と目的

• 低地球軌道から、超高エネルギー宇宙線（UHECR）によって誘発される広がり気圧シャワー（EAS）からのチェレンコフ光を検出する可能性を実証すること。
• 近紫外波長域における光子検出にシリコンフォトマルチプライヤー（SiPM）を用いた宇宙ベース望遠鏡の設計および性能を検証すること。
• 放射線および熱的制約下で、検出効率、バックグラウンドレート、トリガー性能を推定するための包括的なモンテカルロシミュレーションチェーンを確立すること。
• 45 Gbit/日のデータスルーレート制限を満たしつつ、UHECR信号への感度を維持するため、トリガーロジックおよび読み出し電子回路を最適化すること。
• POEMMAなどの将来的な宇宙ベースミッションのパイオニアとして機能し、軌道上からUHEニュートリノおよびUHECR天文学を可能にすること。

提案手法

• 望遠鏡は、925 mmの有効焦点距離を実現する二重放物面ミラー系に補正レンズを組み合わせ、394 mmの直径内に収まり、高角度分解能と最小限の収差を達成するように最適化されている。
• 焦点面アセンブリ（FPA）は、10個のSiPMアレイ（各8×8ピクセル）を用い、ピクセルサイズは3×3 mm²であり、水平7.2°、垂直2.5°の視野角を提供し、ナディルから67.5°の位置にある地球の縁を観測するように整列している。
• フロントエンド電子回路は10個のカスタムASICを用い、各ASICが64個のSiPMチャネルを読み取る。35 MHz帯域幅のアンプとしきい値ベースのデジタイゼーションにより、低ノイズかつ高速な信号処理が可能である。
• 波形のパラメトリックシミュレーションチェーンは、光子信号、ダークカウントレート（DCR）、ノイズバックグラウンド（NGB）をモデル化し、NUV-HD-MT SiPMのDCRは77 kHz/mm²、クロスタッチは6.6%と推定されている。
• トリガーロジックは2つのモードで実装されている：1ピクセル（光電子単位のしきい値）と2ピクセル一致（クラスタートリガー）。しきい値はミッションライフに応じて動的に調整され、45 Gbit/日のデータレート制限を超えないように保たれている。
• 2ピクセル一致率は、式 $ 2 imes R_1^2 imes au imes 2100 $ を用いて計算され、ここで $ R_1 $ は1ピクセルのレート、$ au $ は一致ウィンドウ、2100は1カメラあたりの2ピクセルクラスタ数である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 低地球軌道上の人工衛星プラットフォームから、UHECRによって誘発される広がり気圧シャワー（EAS）からのチェレンコフ光を効果的に検出できるか？
• RQ2 45 Gbit/日のデータスルーレート制限を満たしつつ、UHECR検出効率を最大化するための最適なトリガーシステムのしきい値と構成（1ピクセル対2ピクセル一致）は何か？
• RQ3 放射線による損傷およびバックグラウンドノイズ（NGB + DCR）は、ミッションライフにわたってSiPMの性能にどのように影響を及ぼすか？また、動的しきい値調整によりどのように緩和できるか？
• RQ4 光学設計およびSiPMカメラの構成は、地球の縁におけるEASからのチェレンコフ光の方向および強度をどの程度解像できるか？
• RQ5 シミュレーションチェーンは、変動する軌道的および環境的条件下で、信号対ノイズ比およびトリガーレートをどれほど正確に予測できるか？

主な発見

• 放射線による増益劣化を考慮し、開始時（BoL）の1ピクセルトリガーシステムのしきい値を9.2 p.e.から終了時（EoL）の14.3 p.e.に増加させる必要がある。これにより、最大120 Hzのレートを維持できる。
• 2ピクセル一致トリガーシステムのしきい値は、開始時（BoL）で5.2 p.e.、終了時（EoL）で8.8 p.e.に設定され、45 Gbit/日のデータ制限内に収まりつつ、最大1250 Hzの一致率を達成した。
• 1秒あたりの合計読み出し時間は約7.4 msであり、1ピクセルおよび2ピクセル構成からの240 Hzのトリガーエントリを処理する際、デッドタイムは1%未満に抑えられた。
• シミュレーションチェーンは、光子密度分布および信号波形を正確にモデル化できており、100 PeVのプロトンに対して、最大検出信号が大気深さ約30 kmで発生することが示された。
• FPAの10個のSiPMアレイ（各8×8ピクセル）は合計640チャンネルを提供し、3×3 mm²のピクセルサイズは、望遠鏡の0.18°の角度分解能および7.2°の視野角と整合している。
• 放射線損傷の主な要因は電子、二次的ガンマ線、およびプロトンであると推定され、最適化されたバイアスおよびアンプ設計により、消費電力とノイズ性能が維持された。