[論文レビュー] Trinity: An Air-Shower Imaging Instrument to detect Ultrahigh Energy Neutrinos

A. N. Otte, A. M. Brown+8 more|arXiv (Cornell University)|Jul 19, 2019

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 8

ひとこと要約

Trinityは、大気中のチェレンコフ光検出を用いて10^7–10^10 GeVのエネルギー範囲にある超高エネルギー（UHE）タウニュートリノを検出することを目的とした地上型エアシャワー像検出望遠鏡アレイを提案する。ガンマ線および宇宙線実験で実証済みの画像化技術を活用することで、~10^{-9} GeV cm^{-2} s^{-1} sr^{-1}の微分感度を達成し、マルチメッセンジャーアストロフィジックス、UHECRの源および組成の研究、標準模型を超える新物理の検証に画期的な貢献が可能となる。

ABSTRACT

Trinity is a proposed air-shower imaging system optimized for the detection of earth-skimming ultrahigh energy tau neutrinos with energies between $10^7$ GeV and $10^{10}$ GeV. Trinity will pursue three major scientific objectives. 1) It will narrow in on possible source classes responsible for the astrophysical neutrino flux measured by IceCube. 2) It will help find the sources of ultrahigh-energy cosmic rays (UHECR) and understand the composition of UHECR. 3) It will test fundamental neutrino physics at the highest energies. Trinity uses the imaging technique, which is well established and successfully used by the very high-energy gamma-ray community (CTA, H.E.S.S., MAGIC, and VERITAS) and the UHECR community (Telescope Array, Pierre Auger)

研究の動機と目的

• アイスキューブで観測された宇宙線ニュートリノフラックスの起源である天体的源を特定し、スペクトル測定を超高エネルギー（UHE）帯域にまで拡張する。
• マルチメッセンジャーフレームワークにおいてガンマ線および宇宙線観測と組み合わせることで、超高エネルギー宇宙線（UHECR）の組成と源の制約を図る。
• 超高エネルギー帯におけるニュートリノの基本的性質を解明し、ニュートリノ断面積の増大や超重いダークマターの崩壊といった、標準模型を超える可能性のある新物理の兆候を探索する。
• UHE帯域で~10^{-9} GeV cm^{-2} s^{-1} sr^{-1}の微分感度を達成し、宇宙創生ニュートリノおよび源由来ニュートリノフラックスの検出を可能にする。

提案手法

• Trinityは、地上に設置された6台の広視野型望遠鏡アレイを採用し、大口径光学系とシリコンフォトマルチプライヤー（SiPM）カメラを装備して、地球をかすめるタウニュートリノが引き起こす広範囲のエアシャワーからのチェレンコフ光を像として捉える。
• 望遠鏡は、UHEニュートリノ衝突によるエアシャワーの空間的・時間的構造を検出することを最適化した、0.3°の角分解能を持つ新規なMACHETE光学設計を採用している。
• MUSICチップとAGET読み出しアーキテクチャに基づく独自のフロントエンド電子回路により、1チャンネルあたり約$100の低コストで高帯域幅の信号取得が可能となり、20,000チャンネルで合計$2Mのコストに収まる。
• 光を集めるミラーは、薄膜ガラスレプリカ技術を用いて製造され、0.05°のポイント spread function（PSF）を達成しており、必要な分解能を大幅に上回っている。
• 現場の計算インfraストラクチャは、リアルタイムのデータ取得と制御を可能にする冗長サーバー構成を採用しており、最小限のストレージ容量で済み、推定コストは$100,000である。
• システムはリモート運用を想定しており、定期的な現場メンテナンスを除き、長期的な運用コストを最小限に抑える設計となっている。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 アイスキューブで観測された高エネルギーニュートリノの天体的源は何か？ それらはUHE宇宙線およびガンマ線源とどのように関連しているか？
• RQ2 UHEニュートリノ観測は、特に銀河系外への移行領域において、UHE宇宙線の組成と源の進化をどのように制約できるか？
• RQ3 UHEニュートリノデータは、ニュートリノ断面積の増大や超重いダークマターの崩壊といった、標準模型を超える新物理の兆候を明らかにできるか？
• RQ4 UHE帯域における宇宙創生ニュートリノ（CMB光子とUHECRの相互作用によるもの）と直接的源由来ニュートリノの相対的寄与はどの程度か？
• RQ5 UHEニュートリノのフレーバー組成と方位分布は、現在の源モデルの予測とどのように一致するか？

主な発見

• Trinityは、10^7–10^10 GeVのエネルギー範囲で~10^{-9} GeV cm^{-2} s^{-1} sr^{-1}の微分感度を達成しており、UHECR源由来の基準フラックスおよび宇宙創生ニュートリノを調査するのに十分な感度を有する。
• 6台の望遠鏡を建設するためのコスト見積もりは450万ドルであり、カメラと読み出しシステムに200万ドル、光学系に100万ドル、現場の計算インfraに10万ドル、インfraに140万ドルが割り当てられている。
• カメラシステムは、市販のSiPMとMUSICチップを採用しており、1チャンネルあたり100ドルのコストで実現可能であり、20,000チャンネルで合計200万ドルのカメラコストとなる。
• 薄膜ガラスレプリカ技術を用いたミラーは、1.5mの直径を持つミラーを実現し、0.05°のポイントスプレッド関数を達成しており、MACHETE光学の必要とされる0.3°の分解能を大きく上回っている。
• 運用コストは年間95万ドルと見積もられており、6名の大学院生、4名のポスドク研究者、技術的支援、出張費、保守費をカバーする。リモート運用により現場スタッフの必要を最小限に抑えている。
• 廃棄コストは40万ドルと見積もられており、環境的・物流的問題は想定されない。