[論文レビュー] White paper on EUSO-SPB2

James H. Adams, Luis A. Anchordoqui+14 more|arXiv (Cornell University)|Mar 13, 2017

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 79被引用数 19

ひとこと要約

EUSO-SPB2は、超高エネルギー宇宙線（UHECR）および天体的タウニュートリノを、広範な空気シャワーからのチェレンコフ光と蛍光光を用いて、超圧バルーン上に設置された第二世代の宇宙望遠鏡として検出することを目的としている。シュミット望遠鏡と高速UVカメラを用い、100日間のミッションで約87件の再構成可能なUHECRイベントを期待しており、一次粒子の種別を識別し、極端なエネルギー領域におけるハドロン相互作用モデルの検証が可能となる。

ABSTRACT

EUSO-SPB2 is a second generation Extreme Universe Space Observatory (EUSO) on a Super-Pressure Balloon (SPB). This document describes the physics capabilities, the proposed technical design of the instruments, and the simulation and analysis software.

研究の動機と目的

• 10^7–10^8 GeV範囲の超高エネルギー宇宙線（UHECR）の組成を、チェレンコフ光プロファイルを用いて調査すること。
• 地球スクリーニングによるタウニュートリノから生じる上向き空気シャワーの背景を特徴付けること。
• 高高度でのほぼ水平な空気シャワーの進化を測定し、ハドロン相互作用モデルの検証を行うこと。
• NASAのPOEMMAミッション（宇宙ベースのチェレンコフ光および蛍光光検出を統合）の予備調査としての役割を果たすこと。
• 2017年のEUSO-SPBに比べ、光学系の向上、より高速なUVカメラ、および広い視野角を実現し、傾斜したシャワーへの露出を向上させること。

提案手法

• 高高度での空気シャワーからのチェレンコフ光および蛍光光を集光するため、シュミット方式の反射式望遠鏡を用いる。
• より高い感度を得るため、改善された光子閾値（推定値：250–300光子/GTU）を有する高速UVカメラを採用する。
• オフライン（Off-line）およびESAFソフトウェアフレームワークを用い、イベントの再構成、信号の分類、バックグラウンドの除外を行う。
• CONEX + オフラインのシミュレーションを用いて、大気および雲による遮蔽効果を組み込み、トリガーや再構成レートを推定する。
• タウレプトンの崩壊に起因するチェレンコフ信号を同定・特徴付けるため、一致バイト（coincidence veto）システムを実装する。
• ナディアおよび傾斜観測モードを統合し、傾斜したUHECRの受容性を最大化し、エネルギー閾値を改善する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 10^7–10^8 GeV範囲の空気シャワーからのチェレンコフ光プロファイルは、一次粒子が陽子、重い原子核、光子のいずれであるかを区別できるか？
• RQ2 EUSO-SPB2の機器構成およびシミュレーションツールを用いた場合、超高エネルギー宇宙線の予想イベントレートはどの程度か？
• RQ3 雲カバーおよび大気状態は、UHECRの検出効率および有効露出にどのように影響を与えるか？
• RQ4 この機器は、タウニュートリノの衝突に起因する上向き空気シャワーをチェレンコフ光を用いて検出・特徴付けることができるか？
• RQ5 EUSO-SPB2は、ハドロン相互作用モデルの検証を目的とした高高度・ほぼ水平な空気シャワーの測定をどの程度向上できるか？

主な発見

• EUSO-SPB2は、1時間あたり0.081件のトリガーレートと約60％の再構成効率を想定し、100日間のミッションで約87件の超高エネルギー宇宙線イベントを再構成できると予想される。
• 光学透過率および視野角（3.2° × 28.8°）の向上により、EUSO-SPBに比べUHECRのトリガーレートが2.5倍に増加すると予測される。
• 光子閾値はEUSO-SPBに比べ2倍改善され、光子収率およびピクセル分解能の向上により、1GTUあたりの閾値が約500から約250–300光子に低下すると予想される。
• 雲による遮蔽は有効露出を低下させるが、138時間の暗黒飛行時間の下で、ESAFベースの雲モデルを用いた場合、約5件のイベントが再構成可能と予想される。
• ナディアおよび傾斜観測の組み合わせにより、傾斜したUHECRの受容性が顕著に向上し、ほぼ一定密度の大気中でのシャワー発達の独自の測定が可能になる。
• このミッションは、ハドロン相互作用モデルの妥当性を検証するための重要なデータを提供し、将来のPOEMMA宇宙ミッションの設計に寄与する。