[論文レビュー] The Pierre Auger Observatory Upgrade - Preliminary Design Report

The Pierre Auger Collaboration, A. Aab+463 more|arXiv (Cornell University)|Apr 13, 2016

Particle Detector Development and Performance被引用数 103

ひとこと要約

この論文は Pierre Auger Observatory の AugerPrime アップグレード計画を提示し、検出器追加（SSD, UMD）、電子機器のアップグレード、蛍光検出器のデューティサイクル延長、プロジェクト組織、コスト、スケジュールを詳述する。

ABSTRACT

The Pierre Auger Observatory has begun a major Upgrade of its already impressive capabilities, with an emphasis on improved mass composition determination using the surface detectors of the Observatory. Known as AugerPrime, the upgrade will include new 4 m$^2$ plastic scintillator detectors on top of all 1660 water-Cherenkov detectors, updated and more flexible surface detector electronics, a large array of buried muon detectors, and an extended duty cycle for operations of the fluorescence detectors. This Preliminary Design Report was produced by the Collaboration in April 2015 as an internal document and information for funding agencies. It outlines the scientific and technical case for AugerPrime. We now release it to the public via the arXiv server. We invite you to review the large number of fundamental results already achieved by the Observatory and our plans for the future.

研究の動機と目的

• 最高エネルギー領域での質量組成の決定を改善するために、Pierre Auger Observatory をアップグレードする科学的動機を説明する。
• 提案された検出器の強化（シンチレータ表面検出器、地下ミューオン検出器）と電子機器のアップグレードを説明する。
• 蛍光検出器のデューティサイクルを拡張する計画と、それがデータ収集に与える影響を概説する。
• アップグレードのためのプロジェクト組織、リスク管理、コスト、および導入スケジュールを評価する。

提案手法

• 各Water-Cherenkov Detector の上に補完的なプラスチックシンチレータ平面を導入し、異なる応答でシャワー成分をサンプリングする。
• WCDとSSD信号の両方を、より高いサンプリングレート、タイミング精度、ダイナミックレンジで処理するように地表検出器の電子機器をアップグレードする。
• AMIGA地下ミューオン検出器をUMDコンポーネントとして実装し、ミューオン含有量を測定し手法を検証する。
• 蛍光検出器の運用を、より高い夜空背景期間に拡張してデューティサイクルを約50% 増加させる。
• ダウンタイムを最小限に抑えつつ既存の検出器運用を維持し、中央データ取得および監視システムを適切に適応させる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SSDとUMDを既存アレイに追加することで、質量組成決定の感度はどの程度向上するのか？
• RQ2 拡張 FD デューティサイクルは高エネルギー宇宙線測定の露出と統計的力をどう改善するのか？
• RQ3 UMD からの直接的なミューオン測定は、SSD/WCD データからのミューオン抽出手法を検証・較正できるのか？
• RQ4 AugerPrime アップグレードを 2018年までに完了するためのコスト、スケジュール、組織要件は何か？
• RQ5 アップグレードされた検出器群は、高エネルギー領域でのハドロン相互作用モデルと新規物理の制約にどう寄与するのか？

主な発見

• アップグレードはアレイ全体のイベントに対して質量組成決定の精度を向上させ、シャワーごとの質量情報を可能にする。
• Projected total upgrade cost is US$ 15.2 M with contingency (infrastructure included); US$ 12.7 M without infrastructure costs.
• AMIGA underground muon detectors will serve as the UMD and cost about US$ 1.6 M (without infrastructure costs).
• The FD duty cycle is expected to increase by about 50% through extended operation during brighter nights.
• The upgrade aims to double the event statistics by 2016–18 and reduce systematic uncertainties related to hadronic shower modeling.
• The new detectors enable cross-checks with the Telescope Array and improve proton fraction sensitivity in the flux suppression region.