[論文レビュー] First results of the CROME experiment

Smida, R., H. Bluemer+19 more|arXiv (Cornell University)|Aug 2, 2011

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 4

ひとこと要約

CROME実験は、Cバンド（3.4–4.2 GHz）に合わせたパラボリックアンテナを用いて、広範な空気シャワーからのマイクロ波放射を検出する。この実験は、KASCADE-Grande空気シャワー配列によってトリガーされる。6か月間のデータ取得後、少なくとも1つの受信機の視野に入った高エネルギーシャワーが79件検出され、シミュレーション信号はノイズ以上に最大4 dBに達した。これは、超高エネルギー宇宙線観測におけるマイクロ波検出の可能性を示している。

ABSTRACT

It is expected that a radio signal in the microwave range is produced in the atmosphere due to molecular bremsstrahlung initiated by extensive air showers. The CROME (Cosmic-Ray Observation via Microwave Emission) experiment was built to search for this microwave signal. Radiation from the atmosphere is monitored in the extended C band (3.4--4.2 GHz) in coincidence with showers detected by the KASCADE-Grande experiment. The detector setup consists of several parabolic antennas and fast read-out electronics. The sensitivity of the detector has been measured with different methods. First results after half a year of data taking are presented.

研究の動機と目的

• 広範な空気シャワー（EAS）からのマイクロ波放射（分子ブレムストラールング放射およびチェレンコフ放射）を分子ブレムストラールングおよびチェレンコフ放射によって検出すること。
• 既存の空気シャワー配列と互換性を持つ地上型マイクロ波検出システムを構築すること。
• 空気シャワーからの短時間パルス（約20 ns）を捉えるために、高い時間分解能と同期性を達成すること。
• 正確な信号マッピングとゲイン測定のため、航空機搭載送信機と冷却試験装置を用いて検出器をキャリブレーションすること。
• 大気による減衰の問題を克服し、UHECRの100％稼働時間の観測を可能にすること。

提案手法

• Cバンド（3.4–4.2 GHz）およびKuバンド（10.7–11.7 GHz）受信のため、低ノイズブロックダウンコンバーター（LNB）を備えたパラボリックアンテナ（2.3 m、3.4 m、0.9 m）を用いる。
• 4 nsのリゼーション時間と0.8 nsのサンプリングレートを持つ高速対数電力検出器（AD8318）を、PicoScopeデジタイザを介して使用し、一時的マイクロ波信号を捉える。
• GPSと共通トリガー信号を用いてKASCADE-Grandeと同期し、シャワー核位置とエネルギーとを一致させる。
• 航空機レーダーや低周波数の変動からの干渉を抑えるために、インラインおよびハイパスフィルタ（例：MiniCircuits VHF-1200）を適用する。
• 液体窒素とマイクロ波吸収材を備えたカスタムクライオスタットを用い、フィードゲインと放射パターンをキャリブレーションする。
• 航空機搭載の電波源を用いて、個々の受信機の遠方放射パターン（メインローブおよびサイドローブを含む）をマッピングする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Cバンドの地上型アンテナを用いて、十分な感度と時間分解能を備えた広範な空気シャワーからのマイクロ波放射を検出できるか？
• RQ2 CROME配列の視野内に収まる高エネルギーシャワー（>5×10¹⁶ eV）の検出率はどの程度か？
• RQ3 特に中心から離れた受信機の測定放射パターンとゲイン応答の正確さはどの程度か？
• RQ4 最もエネルギーの高いシャワーからの予想される信号強度はどの程度で、ノイズレベルと比べてどうか？
• RQ5 このシステムは、マイクロ波帯域における分子ブレムストラールングとチェレンコフ放射の寄与を区別できるか？

主な発見

• 6か月間のデータ取得後、エネルギーが5×10¹⁶ eVを超える79件の高エネルギーシャワーが、少なくとも1つのCバンド受信機の視野に入った。
• 最もエネルギーの高かったシャワーのエネルギーは7.9×10¹⁷ eV、仰角は10.5°、アンテナからの核距離は159 mであった。
• 最もエネルギーの高かったイベントのシミュレーション信号は、ノイズフロアより最大4 dB上昇し、パルス幅は約20 nsであった。
• システムは合計171.8日（時間の73％）の稼働時間を達成し、平均して8.6基のCバンド受信機が稼働していた。
• 放射パターンの測定により、メインビームの半値全幅が約1.6°であることが確認され、サイドローブは10 dB以上低下していた。
• 航空機搭載電波源を用いたキャリブレーション装置により、個々の受信機（中心から離れたものも含む）のゲインとビームパターンの正確なマッピングが可能になった。