[論文レビュー] Radio detection of cosmic rays at the southern Auger Observatory

A. M. van den Berg|ArXiv.org|Aug 30, 2009

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 10

ひとこと要約

本論文は、超高エネルギー宇宙線（UHECR）を、広範な空気シャワーからのコherentな電波放射を用いて研究することを目的とした、20 km²の電波検出器アレイ「AERA（Auger Engineering Radio Array）」の設計および研究開発状況を提示する。AERAはピエール・オービエール観測所に共同設置されており、表面検出器（SD）と一致する状態で、68%分位の方位分解能が8.8° ± 1.0°に達しており、UHECRの高精度な電波検出の実現可能性を示している。

ABSTRACT

An integrated approach has been developed to study radio signals induced by cosmic rays entering the Earth's atmosphere. An engineering array will be co-located with the infill array of the Pierre Auger Observatory. Our R&D effort includes the physics processes leading to the development of radio signals, end-to-end simulations of realistic hardware configurations, and tests of various systems on site, where coincidences with the other detector systems of the Observatory are used to benchmark the systems under development.

研究の動機と目的

• 空気シャワーからのコherent電波放射を用いて、超高エネルギー宇宙線（UHECR）の大型電波検出システムの開発および検証を行う。
• 既存のオービエール検出器（SD、AMIGA、HEAT）と共同設置することで、物理的解析を強化するためのスーパーハイブリッド測定を可能にする。
• UHECRの一次エネルギー、質量、到着方向を測定するための単独電波検出の実現可能性を検証する。
• 10^17.4–10^18.7 eVの宇宙線起源の遷移領域を、電波技術を用いて前例のない精度で研究する。
• 将来の大規模アレイ向けに、システムの持続可能性、ハードウェアの設置、ソフトウェアの運用をテストする。

提案手法

• 両方のサイト（BLSおよびCLF）に、二重のアクティブなフラットダイポールおよび対数周期的ダイポールアンテナを設置し、直交する偏光（東西および北南）における電場強度を測定する。
• GPS時刻スタンプを用いたトリガーと外部粒子検出器を用いて、表面検出器（SD）アレイとの一致測定を可能にする。
• REAS2コードを用いたエンド・トゥ・エンドのシミュレーションにより、空気シャワー内の電波信号の発展および電子・陽電子密度分布をモデル化する。
• 信号が全電子回路チェーンを通過する際の伝搬をモデル化するモジュラー検出器シミュレーションパッケージを実装し、実データと比較する。
• 150基のステーションで構成される電波アレイ（AERA）の設計を行い、3つの同心円領域を設ける：150 mの三角格子上に24基、250 mの格子上に60基、375 mの格子上に72基。
• 各ステーションに太陽電池駆動の局所データ取得装置、リングバッファ（3秒、4チャンネル、200 MS/s、12ビット分解能）、中央システムへの無線時刻送信装置を装備する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 表面検出器と一致する電波検出システムの方位分解能はどの程度であり、SD再構築と比較してどうなるか？
• RQ2 電波検出が、UHECRの一次エネルギー、質量、到着方向をどれだけ正確に測定できるか？
• RQ3 電波放射特性は、エネルギー、天の赤道角、シャワーの幾何学的配置といったシャワーのパラメータにどのように依存するか？
• RQ4 30–80 MHz帯域での有効しきい値およびイベントレートは何か？エネルギーに伴ってどのように変化するか？
• RQ5 地上および銀河系電波源は、しきい値および時間経過に伴うシステム安定性にどのように影響するか？

主な発見

• 電波検出器と表面検出器の一致する27件のイベントにおいて、68%分位の方位分解能が(8.8 ± 1.0)°に達しており、この手法の精度が検証された。
• 50–55 MHz帯域におけるRMSノイズレベルは、現地標準時18:00ごろに一貫して上昇しており、銀河中心の電波放射と相関していることから、測定可能な地上電波背景が存在することが示された。
• LOPESおよびCODALEMAのデータからの外挿とREAS2シミュレーションを組み合わせた結果、AERAアレイの保守的検出しきい値は約10^17.2 eVであると予測された。
• オービエールのフラックススペクトルと有効面積の計算に基づき、UHECRの年間予想イベントレート（E > 10^17.2 eV）は約5000件であると算出された。
• モジュラーなシミュレーションフレームワークは、シャワー粒子から受信機出力までの信号発展を効果的にモデル化できており、実データとのキャリブレーションおよび検証を可能にした。
• AERAアレイの設計により、蛍光検出器およびAMIGAと完全に重複する範囲をカバーしており、組成およびエネルギースペクトル研究における前例のない精度を実現するスーパーハイブリッド測定が可能になった。