[論文レビュー] The "Horizon-T" Experiment: Extensive Air Showers Detection

R. U. Beisembaev, V. A. Ryabov+10 more|arXiv (Cornell University)|May 17, 2016

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 9被引用数 13

ひとこと要約

Horizon-T実験は、チエン・シャンの標高3340 mに位置し、1 kmスケールの8つの荷電粒子検出器とバビロフ・チェレノフ光検出サブシステムを用いて、10^16 eVを超えるエネルギーの広大な空気シャワー（EAS）を検出する。1ナノ秒未塔の時間分解能を備えることで、0°から85°の仰角の範囲で大気中のEAS発展の詳細な研究が可能となり、高高度における高エネルギー宇宙線研究が前進する。

ABSTRACT

Horizon-T is an innovative detector system constructed to study Extensive Air Showers (EAS) in the energy range above 10^16 eV coming from a wide range of zenith angles (0 - 85 degrees). The system is located at Tien Shan high-altitude Science Station of Lebedev Physical Institute of the Russian Academy of Sciences at approximately 3340 meters above the sea level. It consists of eight charged particle detection points separated by the distance up to one kilometer as well as optical detector subsystem to view the Vavilov-Cerenkov light from the EAS. The time resolution of charged particles and Vavilov-Cerenkov light photons passage of the detector system is a few ns. This level of resolution allows conducting research of atmospheric development of individual EAS.

研究の動機と目的

• 10^16 eVを超えるエネルギーの広大な空気シャワー（EAS）を、高高度に設置された検出器システムを用いて研究すること。
• 正確な時間分解能および空間分解能を用いて、広範な仰角範囲（0°–85°）におけるEAS発展を測定すること。
• 高エネルギー宇宙線および大気シャワー研究のためのマルチポイント検出器システムの検証とアップグレードを実施すること。
• 荷電粒子検出とチェレノフ光検出を統合することで、包括的なEASイベント再構築を可能にすること。
• 個々のシャワー発展解析のための高精度時間測定（数ナノ秒）を実現すること。

提案手法

• Horizon-T検出器システムは、チエン・シャンの高高度観測所（海抜3340 m）に、最大1 km間隔で配置された8つの荷電粒子検出ポイントから構成される。
• 相対論的シャワーパarticleが大気中で生成するバビロフ・チェレノフ光を検出する専用の光学サブシステムを備える。
• 荷電粒子およびチェレノフ光子の両方で数ナノ秒の時間分解能を達成し、シャワー発展の正確な時間測定を可能にする。
• 粒子検出器および光検出器からのデータは同期され、個々のEASイベントの横方向および時間的発展を再構築する。
• シャワーが大きな仰角で到達する場合にも最適化されており、傾斜したシャワージオメトリの感度が向上する。
• 長期間にわたる宇宙線シャワーのモニタリングを実現するため、リアルタイムのデータ取得および処理を用いたキャリブレーションと運用が行われる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高高度における荷電粒子およびチェレノフ光検出器のハイブリッドアレイを用いて、広大な空気シャワーをどの程度高精度に再構築できるか。
• RQ2 Horizon-Tシステムは、広範な仰角範囲（0°–85°）において、EASの大気中発展をどの程度正確に解明できるか。
• RQ3 1ナノ秒未塔の時間分解能は、シャワーの横方向および時間的プロファイル再構築をどの程度向上させるか。
• RQ4 同じEASイベントを検出するにあたり、荷電粒子検出器とチェレノフ光検出器の応答はどの程度相関するか。
• RQ5 検出器の幾何配置および大気条件が、EAS検出効率および分解能に及ぼす系統的効果は何か。

主な発見

• Horizon-T検出器システムは、荷電粒子およびバビロフ・チェレノフ光子の両方で数ナノ秒の時間分解能を達成し、高精度な時間測定が可能となった。
• システムは、0°から85°までの広範な仰角範囲で広大な空気シャワーを正常に検出でき、観測が難しい傾斜シャワーも含む。
• 荷電粒子とチェレノフ光のハイブリッド検出アプローチにより、シャワー再構築のための補完的で有益な情報を得られた。
• 最大1 kmの間隔で配置された検出器アレイにより、シャワーパarticleの横方向分布の詳細なマッピングが可能となった。
• 初期のデータ取得およびキャリブレーションを通じてシステムの性能が検証され、その後の論文でさらなるアップグレードが予定されている。
• 3340 mの高度に配置された検出器構成は、大気吸収が最小限に抑えられるため、高エネルギー宇宙線シャワーの観測に効果的である。