[論文レビュー] The JEM-EUSO program

Francesco Fenu|arXiv (Cornell University)|Mar 6, 2017

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 4

ひとこと要約

JEM-EUSOプログラムは、国際宇宙ステーション（ISS）に搭載された広視野角UVカメラを用いて、広範な大気シャワーからの蛍光光を検出することで、超高エネルギー宇宙線（UHECR）を宇宙から観測する衛星観測所の構想を提示している。このプログラムは、EUSO-TA、EUSO-Balloon、EUSO-SPB、およびMini-EUSOといったパスファインダーを活用し、技術とトリガー系の妥当性を検証しており、2020年代前半にK-EUSOが、5×10¹⁹ eV以上のエネルギーで、画期的な均一な被覆範囲と感度を実現する、全天球的で統計的に高精度なUHECR観測を実現する予定である。

ABSTRACT

JEM-EUSO is an international collaboration for the development of space--based Ultra High Energy Cosmic Ray (UHECR) detectors. The instrument consists of a wide Field Of View (FOV) camera for the detection of the UV light emitted by Extensive Air Showers (EAS) in the atmosphere. Within the JEM-EUSO framework several pathfinders have been developed or are in course of development: EUSO-TA, EUSO-Balloon, EUSO-SPB and Mini-EUSO. For the near future the K-EUSO detector is foreseen to detect cosmic rays from space. In this paper we present the JEM-EUSO project and give an overview of the pathfinders and of their results.

研究の動機と目的

• 広範な大気シャワーからの蛍光光を用いて、宇宙空間に設置された検出器を用いて超高エネルギー宇宙線（UHECR）を検出すること。
• 低地球軌道からの均一で全天球的カバーを実現することで、地上検出器の限界を克服すること。
• 一連のパスファインダーミッションを通じて、トリガー系、光検出器、キャリブレーション手法といった主要技術を検証すること。
• UHECRの非一様性、源の同定、GZK超えスペクトルに関する高統計的分析を可能にすること。
• 同じUV検出プラットフォームを用いて、TLE、流星、オーロラ、宇宙ごみといった追加現象の調査を実施すること。

提案手法

• 400 km軌道上に位置する±30°の広視野角UVカメラを用い、大気中の広範な大気シャワー（EAS）からの蛍光光を検出する。
• 3枚のフレネルレンズを備えた屈折系を用い、光を焦点面に集光し、約5000個のマルチアンードフォトマルチプライヤー（MAPMT）を用いて単一光子カウントを実施する。
• SPACIROC ASICとFPGAを用いた階層的トリガー系を採用し、データレートを約100 GB/sから3 GB/日まで低減しながら物理的イベントを保持する。
• 6×6個のMAPMTから構成される1モジュールの電子回路アーキテクチャ（Photo Detection Modules: PDMs）を採用し、各MAPMTは64ピクセル（3×3 mm）を有する。
• 宇宙線シャワー信号を模擬するため、レーザー源（例：TA Central Laser Facility）、フラッシャー、LEDを用いたキャリブレーションを実施する。
• EUSO-SPBやMini-EUSOといったパスファインダーに自律的トリガー系を搭載し、地上からのトリガーなしで宇宙飛行中に検出を実現することを実証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 宇宙ベースのUVカメラは、十分な感度とトリガー効率で、UHECR誘発の大気シャワーからの蛍光光を検出可能か？
• RQ2 パスファインダーミッションは、軌道上での運用を前提とした主要検出器部品およびトリガーアルゴリズムの性能をどの程度検証可能か？
• RQ3 低地球軌道に設置された検出器が、UHECR到着方向の大型および小規模な非一様性を測定する上で、全天球的カバーがどの程度均一的かつ効果的か？
• RQ4 高高度気球またはISSから外部トリガーなしで、UHECRを自律的かつ正確に検出可能か？
• RQ5 同じ機器を用いて、流星、TLE、宇宙ごみといった宇宙線以外の現象を軌道上から検出・特徴づけられるか？

主な発見

• EUSO-TAは、Telescope Arrayと一致する宇宙線イベントを正常に検出しており、1件のイベントについてエネルギー推定値が10¹⁸.³ eVに達した。また、レーザーおよびフラッシャー源を用いたトリガーアルゴリズムの妥当性も検証した。
• EUSO-Balloonは、8時間にわたる飛行中に大気のUV背景をマッピングに成功し、宇宙空間から観測した初の全天球的大気UV放射像を取得した。
• EUSO-SPBはユタ州での地上試験で、レーザー誘発のシャワーに類似した信号を自律的トリガーで検出できることを確認し、自立的飛行検出の準備が整ったことを裏付けた。
• 2017年に打ち上げられたMini-EUSOは、流星信号のシミュレーションと検出に成功し、大気UV背景の測定も実施し、非UHECR科学分野への応用能力を実証した。
• K-EUSOは、GZKエネルギー領域でアッゲール型の統計的精度を達成する全天球的カバーを実現する予定であり、宇宙に設置された初の本格的UHECR検出器となる。
• JEM-EUSOプログラム全体が、将来的な宇宙ベースUHECR科学に向けた検出器電子回路、トリガー系、キャリブレーション手法の技術的成熟度を裏付けた。