[論文レビュー] The Non-Imaging CHErenkov Array (NICHE): A TA/TALE Extension to Measure the Flux and Composition of Very-High Energy Cosmic Rays

John Krizmanic, D. R. Bergman+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 15, 2013

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 4

ひとこと要約

非像像型チェレンコフ・アレイ（NICHE）は、望遠鏡アレイ（TA）およびTALEと共同設置された大規模な非像像型チェレンコフ検出器アレイであり、10^15.8 eV から 10^18 eV の範囲で超高エネルギー宇宙線のフラックスおよび核種組成を測定することを目的としている。チェレンコフ光の振幅および時間スプレッドを組み合わせて、高分解能で X_max とエネルギーを推定することで、蛍光望遠鏡との相互校正が可能となり、銀河系内と銀河外の宇宙線への移行を含む、さまざまな組成モデルの区別が可能となる。

ABSTRACT

Co-sited with TA/TALE, the Non-Imaging CHErenkov Array (NICHE) will measure the flux and nuclear composition of cosmic rays from below 10^16 eV to 10^18 eV in its initial deployment. Furthermore, the low-energy threshold can be significantly decreased below the cosmic ray knee via counter redeployment or by including additional counters. NICHE uses easily deployable detectors to measure the amplitude and time-spread of the air-shower Cherenkov signal to achieve an event-by-event measurement of Xmax and energy, each with excellent resolution. NICHE will have sufficient area and angular acceptance to have significant overlap with the TA/TALE detectors to allow for energy cross-calibration. Simulated NICHE performance has shown that the array has the ability to distinguish between several different composition models as well as measure the end of Galactic cosmic ray spectrum.

研究の動機と目的

• 10^15.8 eV から 10^18 eV の範囲で、非像像型チェレンコフ技術を用いて超高エネルギー宇宙線（VHECR）のフラックスおよび核種組成を測定すること。
• ハドロン系モンテカルロ・シミュレーションへの依存度を低くすることで、宇宙線組成測定の不確実性を低減すること。
• 非像像型チェレンコフ検出器と蛍光望遠鏡（TA/TALE）との相互校正を可能にし、エネルギーおよび組成分解能を向上させること。
• スペクトルの「膝」付近での銀河系内から銀河外への移行を含む、競合する宇宙線組成モデルを区別すること。
• 最適化された検出器間隔と時間領域信号解析を用いて、高分解能の X_max およびエネルギー測定を達成すること。

提案手法

• NICHEは、BLANCA設計に基づく広く間隔をあけた、容易に設置可能なチェレンコフカウンタを用い、各カウンタには3"のPM Tとウィンストンコーンを装備し、有効面積77 cm²を実現している。
• 各カウンタは、チェレンコフ光子の振幅および時間スプレッドを測定することで、シャワー発達深さ（X_max）と全エネルギーを、信号の横方向および時間的構造から推定する。
• 200 MHz FADC DAQシステムとGPS時刻タグを用い、信号タイミングを高精度に保ち、リモート無線通信によるデータ送信を実現している。
• データレートを低減しつつも重要なイベント情報を保持するため、カウンタ間の赤外通信によるレベル2トリガーを実装している。
• 200 mまたは400 mのカウンタ間隔を採用することで、大口径を実現し、TALEの蛍光測定と顕著な重複を生じさせる。
• 検出器幾何形状の最適化および性能評価（X_maxおよびエネルギー分解能をエネルギーおよびシャワー核心からの距離の関数として）には、高統計的 CORSIKAベースのシミュレーションが用いられている。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 NICHEのような非像像型チェレンコフアレイは、10^15.8–10^18 eV 範囲におけるさまざまな宇宙線組成モデルを区別できる十分な X_max およびエネルギー分解能を達成できるか？
• RQ2 NICHEのチェレンコフ測定は、蛍光望遠鏡データ（TA/TALE）とどの程度相互校正可能であり、エネルギーおよび組成の系統的不確実性を低減できるか？
• RQ3 NICHEは、銀河系内から銀河外への移行、特に「膝」付近で予想されるプロトン様成分の移行をどの程度解像できるか？
• RQ4 純粋な銀河系スペクトルと混合銀河系・銀河外スペクトルの間で、最小でどの程度の組成差が検出可能か？
• RQ5 カウンタ間隔（200 m 対 400 m）は X_max およびエネルギー分解能にどのように影響し、高統計的測定に最適な構成は何か？

主な発見

• 200 m のカウンタ間隔を採用した69検出器アレイでは、10^16 eV で X_max 分解能が 40 g/cm² 未満、10^16.5 eV 以上では 20 g/cm² 未満を達成する。
• 200 m 間隔構成では、10^16 eV でエネルギー分解能が 15% 未満であり、エネルギーが増加するに従い改善する。
• 4成分（プロトン、ヘリウム、CNO、鉄）からなるシミュレート組成のアンフォールディングは、ほとんどのエネルギー領域で組成分率の誤差が20%未満で再構築可能である。
• 特に10^17 eV 付近で、銀河外成分が存在しないモデルと純粋な銀河外プロトン成分モデルの両者を明確に区別可能である。
• 2年間の運用と10%の稼働率を想定した場合、10^17 eV 以上の高統計的サンプルを取得可能であり、TALEの蛍光測定と強固な相互校正が可能となる。
• チェレンコフ光子の時間スプレッド（FWHM）は X_max と強く相関しており、非像像型検出器であっても最大発達深さの測定が可能となる。