[論文レビュー] The Current Status and Prospect of the Ta Experiment

K. Kasahara|arXiv (Cornell University)|Nov 7, 2005

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 4

ひとこと要約

Telescope Array (TA)実験は、760 km²のシンチレーションアレイと3か所の蛍光望遠鏡ステーションを組み合わせたハイブリッド検出システムを用いて、AGASAとHiResの間の超高エネルギー宇宙線スペクトルにおけるGZKカットオフの存在に関する矛盾を解消することを目的としている。2010年までに、ラインアックキャリブレーションを用いた蛍光検出とLHCベースの反応モデルの妥当性検証により、10%未満のエネルギー分解能を達成する決定的なスペクトル測定を実現する。

ABSTRACT

The Telescope Array (TA) experiment is designed to observe cosmic-ray-induced air showers at extremely high energies. It is being deployed in a desert of Utah, USA; an array of 3 m^2 scintillation counters will be distributed over 760 km^ and 3 sets of air fluorescence telescopes will be placed in the perimeter of the array. It's primary purpose is to make a decisive measurement of the cosmic ray spectrum in the GZK cutoff region. We expect the first data from the TA in the spring of 2007. As its unique features are included 1) hybrid measurement planned down to 10^17.5 eV, 2) calibration of fluorescence detection by using artificial air showers generated by an electron linac, 3) interaction model calibration by the LHC.

研究の動機と目的

• 超高エネルギー宇宙線スペクトルにおけるGZKカットオフの存在に関して、長年のAGASAとHiResの間の矛盾を解消すること。
• ハイブリッド検出システムを用いて、GZK領域（10^20 eV）で画期的な精度で宇宙線エネルギースペクトルを測定すること。
• AGASAが観測した超GZKイベントおよび到達方向のクラスタリングを、向上した角度分解能とエネルギー分解能を用いてその起源を調査すること。
• 蛍光シャワーのプロファイルと磁場による偏光効果を用いた粒子識別により、一次宇宙線の化学的組成を特定すること。
• 最適化された検出器ジオメトリと開口部設計により、将来の超高エネルギーニュートリノおよび光子の検出を可能にすること。

提案手法

• 1.2 km間隔で配置された576基の地上シンチレーションカウンター（1基あたり3 m²）からなる760 km²のアレイを設置し、大気シャワーの電磁成分を検出する。
• 30〜40 kmの間隔で3か所の蛍光望遠鏡ステーションを設置し、各ステーションに12台の望遠鏡を設置。空気シャワーから発するチェレンコフ光を3°〜34°の高度および108°の方位角で観測する。
• 蛍光観測のための10%の稼働率を確保し、E > 10^20 eVに対して約670 km² srのステレオ受容度を達成する。
• 系統的不確実性を低減するために、電子線形加速器（linac）で生成した人工的大気シャワーを用いて蛍光検出をキャリブレーションする。
• 大型ハドロン衝突型加速器（LHC）からのデータを用いて、ハドロン反応モデルを妥当性検証し、エネルギースケールの正確性を向上させる。
• フル波形デジタイゼーション（フラッシュADC）を適用することで、地上アレイの角度分解能を約1°に達成し、AGASAの1.6°を上回る。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 標準的宇宙論が予測するように、宇宙線スペクトルに約10^20 eVで急峻なGZKカットオフが存在するか？
• RQ2 AGASA（カットオフなし）とHiRes（カットオフ観測）の間の矛盾は、統計的ゆらぎ、系統的誤差、あるいは新しい物理学に起因するか？
• RQ3 超高エネルギー宇宙線の化学的組成は何か？主に陽子、原子核、あるいは特異な粒子で構成されているか？
• RQ4 AGASAデータで観測された到達方向のクラスタリング（二重および三重の集まり）は、確認可能であり、特定の天体的起源と関連づけられるか？
• RQ5 Telescope Arrayは超高エネルギーニュートリノや光子を検出可能か？このような信号の予想される発生率は何か？

主な発見

• TA実験は、受容度がAGASAの9倍であるため、3年間の測定で統計誤差をAGASAの半分にまで低減できると予想される。
• 同時ハイブリッド測定とラインアックキャリブレーションにより、E > 10^19 eVで10%未満のエネルギー分解能が達成可能と予想される。
• 地上アレイの角度分解能は約1°と予想され、AGASAの1.6°を大きく上回り、クラスタイベントの同定が向上する。
• ステレオ蛍光受容度は、E > 10^20 eVで約670 km² srであり、AGASAに比べ4倍の有効稼働率を達成する。
• ニュートリノ検出のための標的体積は約10^10トン・srであり、E > 10^20 eVで有効開口部は約0.03 km² srとなる。予想される発生率は10年間に0.04〜2イベントである。
• TAの最初のデータは2007年春に予想され、LHCキャリブレーション済みモデルとラインアックベースの蛍光キャリブレーションを用いた2010年までにGZK領域に関する決定的結論が得られる見込みである。