[論文レビュー] The JEM-EUSO Mission: Contributions to the ICRC 2013

EUSO Collaboration|arXiv (Cornell University)|Jul 23, 2013

Nuclear and radioactivity studies被引用数 6

ひとこと要約

JEM-EUSOミッションは、国際宇宙ステーション（ISS）に搭載される宇宙ベースの望遠鏡を提案し、超高エネルギー宇宙線（UHECR）の空気シャワーから発する紫外光を検出することで、全天球にわたる非一様性の研究と源の同定を可能にする。2.5mの広視野望遠鏡と30万チャンネルのMAPMTを備え、赤外線およびLIDARシステムによる大気モニタリングを組み合わせ、50 EeVを超えるUHECRエネルギーを、前例のない露出で測定し、GZK遮断効果の検証とローレンツ不変性の破れの探査を実施する。

ABSTRACT

Contributions of the JEM-EUSO Collaboration to the 33rd International Cosmic Ray Conference (The Astroparticle Physics Conference) Rio de Janeiro, July, 2013.

研究の動機と目的

• 50 EeVを超える超高エネルギー宇宙線（UHECR）の起源を、大気中での蛍光光およびチェレンコフ光の検出によって特定すること。
• 6×10⁴ km² sr yrを超える年間露出を達成し、ほぼ一様な赤緯依存性を実現することで、全天球にわたる非一様性研究を可能にすること。
• グレーゼン＝ザツェピン＝クズミン（GZK）遮断効果を検証し、ローレンツ因子約10¹¹までローレンツ不変性を検証すること。
• 高統計的UHECR測定を通じて、一時的の大気現象、極端エネルギーの光子、およびローレンツ不変性の破れの兆候を探索すること。
• 将来の宇宙ベースのUHECR観測所のためのキーテクノロジーを実証するため、パスファインダー・ミッション（EUSO-BALLOONおよびEUSO-TA）を実施すること。

提案手法

• 60°の広視野を有する望遠鏡を展開し、3枚のフレネルレンズ（2.5m径）と30万チャンネルのMAPMTを用いて、広大な空気シャワーから発する紫外光（290–430 nm）を検出する。
• 赤外線カメラとLIDARシステムを用いて雲カバーおよび大気状態をモニタリングし、信号減衰補正とキャリブレーションを正確に行う。
• 地上にグローバルライトシステムを設置し、Telescope Arrayの蛍光検出器を用いて、既知のシャワー源を用いて機器応答をキャリブレートする。
• HP-LAB LOCO-I/JPEG-LS圧縮アルゴリズムを適用し、画像忠実度を維持しながらデータレートを低減する。圧縮比の目標は3（最小損失）とする。
• SDSUベースの画像モデルを用いて、エンドツーエンドのシミュレーションとプロトタイプテストを実施し、圧縮の影響とシステム性能を評価する。
• 光学、検出器応答、大気背景、圧縮効果をカバーする包括的なシミュレーションチェーンを統合し、システム設計の妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 JEM-EUSOは、60 EeVを超えるUHECRの天の川上での非一様性を検出するのに十分な露出と角分解能を達成できるか？
• RQ2 赤外線カメラとLIDARからなる大気モニタリングシステムは、雲のカバーと上層高度をどれほど正確に推定でき、信号減衰補正に寄与できるか？
• RQ3 科学的忠実度を保ちつつ、データダウンリンク帯域幅を最小限に抑える最適な画像圧縮比は何か？
• RQ4 EUSO-TAおよびEUSO-BALLOONのパスファインダーは、本ミッションの完全な検出チェーンとキャリブレーション手順を成功裏に検証できるか？
• RQ5 JEM-EUSOは、エネルギースペクトルおよび非一様性測定を通じて、UHECRの電荷をどれほど正確に制限でき、ローレンツ不変性の破れをどれほど探査できるか？

主な発見

• JEM-EUSO望遠鏡は、天の川全域にほぼ一様な感度を有する年間露出 >6×10⁴ km² sr yr を達成し、包括的な全天球調査を可能にする。
• HP-LOCO-Iアルゴリズムを用いた3倍圧縮では、圧縮比6.76を達成し、平均ピクセル値分散が約0.15 °Kにとどまるため、データ損失は最小限に抑えられる。
• 赤外線カメラのプロトタイプと大気シミュレーションモデルが妥当性を確認され、露出補正に必要な雲上層高度とカバー率の正確な推定が可能になった。
• EUSO-TAは、Telescope ArrayのELFおよびCLF源からの既知のシャワーを用いて、PDM応答のキャリブレーションに成功し、検出チェーンの妥当性を検証した。
• EUSO-BALLOONは40 km高度でのフライトで、UV光の空気シャワー検出を含む、完全な検出システムのエンドツーエンドテストを実施する。
• このミッションは、GZK効果の確認または否定、UHECR加速源の最大エネルギーの制限を可能とし、新たな天体物理学的源や標準模型を超える物理学の発見につながる可能性がある。