Study of the ultra high energy cosmic ray source evolution by detailed measurement of cosmic rays in the wide energy range

• Project/Area Number: 15H05741
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (S)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Research Field: Particle/Nuclear/Cosmic ray/Astro physics
• Research Institution: Osaka City University
• Principal Investigator: 荻尾 彰一 大阪市立大学, 大学院理学研究科, 教授 (20242258)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 竹田 成宏 東京大学, 宇宙線研究所, 助教 (40360581) ; 有働 慈治 神奈川大学, 工学部, 准教授 (50506714) ; 多米田 裕一郎 大阪電気通信大学, 工学部, 講師 (90467019)
• Project Period (FY): 2015-05-29 – 2020-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2019)
• Budget Amount: ¥162,370,000 (Direct Cost: ¥124,900,000、Indirect Cost: ¥37,470,000); Fiscal Year 2019: ¥16,640,000 (Direct Cost: ¥12,800,000、Indirect Cost: ¥3,840,000); Fiscal Year 2018: ¥16,380,000 (Direct Cost: ¥12,600,000、Indirect Cost: ¥3,780,000); Fiscal Year 2017: ¥54,080,000 (Direct Cost: ¥41,600,000、Indirect Cost: ¥12,480,000); Fiscal Year 2016: ¥55,250,000 (Direct Cost: ¥42,500,000、Indirect Cost: ¥12,750,000); Fiscal Year 2015: ¥20,020,000 (Direct Cost: ¥15,400,000、Indirect Cost: ¥4,620,000)
• Keywords: 宇宙線物理学 / 超高エネルギー宇宙線 / 化学組成 / 宇宙線源 / 宇宙線の伝播 / 粒子加速 / 宇宙線 / 最高エネルギー宇宙線 / 粒子線天文学 / 高エネルギー天体 / 宇宙線化学組成 / 銀河磁場 / 銀河間磁場

Outline of Annual Research Achievements

本研究課題の目的は、地表粒子検出器(SD)80台と大気蛍光望遠鏡(FD)10台を米国ユタ州デルタ市近郊のTelescope Array実験（TA実験）サイトに設置し、Telescope Array Low energy Extension(TALE)ハイブリッド検出器を建設すること、さらに建設後2年間の観測から、10の16乗から10の18乗電子ボルト領域宇宙線について、銀河系内起源での加速、磁場による閉じ込め・遮断、銀河系外起源の宇宙論的進化、の解明に迫ることである。2018年度には科学研究費委員会審査・評価第二部会による研究進捗評価を受け、「A：当初目標に向けて順調に研究が進展している」との結果であった。以下では、2018年度の実績報告書に記述した「今後の研究の推進方策」の実施計画４項目に沿って、その結果を述べる。（１）ハイブリッド観測開始：2018年9月にハイブリッドトリガーシステムを中央データ収集計算機に設置し運転を開始し、調整期間を経て同年11月から定常運用を開始・継続している。この成果については2018年10月の国際会議UHECR2018（於パリ）で発表した。（２）人材の強化、データ解析へ重心を移す：宇宙線化学組成のデータ解析に精通する研究分担者を新たに加え、データ解析プログラムの開発体制を強化した。FDによる観測データ解析プログラムが完成し、当初目標通りの低エネルギーしきい値、組成決定精度が達成できる見込みである。この成果については、2019年3月の日本物理学会で発表した。（３）TALE実験の較正：較正のための中央レーザー散乱光の観測は2018年中に行われたが、データ解析は今後行う予定である。（４）定常観測の継続と他の観測装置との連携：定常観測を継続しており、毎週モニターデータを集計して装置の健全性を確認している。TA実験との同時観測によるエネルギースケールの統一は今後の課題である。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

６．でも述べたように、2018年度には科学研究費委員会審査・評価第二部会による研究進捗評価を受け、「A：当初目標に向けて順調に研究が進展している」との結果であった。2018年2月にSD80台によるTALE実験SDアレイの設置が完了し、ハイブリッドトリガーシステムが2018年11月に完成し、安定稼働状態に入った。TALE実験はTelescope Array実験(TA実験)と共同することで、10の16乗から10の20乗電子ボルトを超えるエネルギー領域を、単一のエネルギースケールでシームレスに、しかもFDとSDのハイブリッドで観測する世界で唯一の装置であり、これが完成したことになる。 当初予定の103台よりもSDが少ないが、TA実験より低いエネルギーの宇宙線を観測するための設置間隔400mの領域と間隔600mの領域は完全にカバーされており、研究目的の達成に実質的な問題はない。 データ収集・データ解析は今後行われるが、FDに関するデータ解析プログラムの開発とその性能評価はすでに終わっている。今後はハイブリッド事象の解析のためのプログラム開発と性能評価が必要となる。化学組成決定に使われるパラメーターである空気シャワー最大発達深さ(Xmax)の精度として20g・cm^-2を達成できる見込みで、これは世界最高レベルの精度であり、10の16.5乗電子ボルトから10の18乗電子ボルトのエネルギー領域では史上最高の精度である。 TA実験の3台のFDとTALE実験FDの合計4台でステレオ観測された空気シャワー事象の解析が可能になっている。これは世界で唯一の解析能力で、TA実験の米国側グループも達成していない。エネルギースケールの統一はこのプログラムを通して行われる。

Strategy for Future Research Activity

本研究課題で進めてきたTALE実験SDアレイについては、2018年2月に全80台の設置が完了し、総面積40平方kmのSDアレイが完成した。2012年から稼働を続けている10台のFDで検出されたイべントトリガーによって、SDアレイの情報も取得する「ハイブリッドトリガー」は2018年9月に実装作業が行われて、同年11月から定常観測運用が始まり、観測が継続されている。これに対して、データ解析プログラムの開発が2018年度から始まり、FD観測に対する解析プログラムは完成して性能が確認され、SDアレイ観測に対する解析プログラムもほぼ完成している。2019年度はSDアレイ用解析プログラムの性能評価、それぞれの観測装置の性能評価をモンテカルロシミュレーションイベントの解析を通じて進めていく。さらに現在未完成のハイブリットイベント用データ解析プログラムの開発を完了し、その性能評価を進める。その後、実イベントのデータ解析を進め、2019年度内に予備的な解析結果を公表したい。2019年度も定常観測を継続する。TA実験と比較したエネルギー・到来方向決定精度の決定、TA実験との間のエネルギースケールの統一などにはTA実験との連携が必要である。低エネルギー側での化学組成決定には、チェレンコフ光検出によってTALE実験よりさらに低エネルギー側への観測感度を拡張するNICHE実験との連携も重要である。

Assessment Rating

Result (Rating)

A: Progress in the research is steadily towards the initial goal. Expected research results are expected.

Research Products

• [Int'l Joint Research] ユタ大学/ラトガース大学(米国)
• [Int'l Joint Research] 成均館大学/漢陽大学/梨花女子大学(韓国)
• [Int'l Joint Research] ロシア科学アカデミー/モスクワ州立大学(ロシア連邦)
• [Int'l Joint Research] ベルギー自由大学(ベルギー)
• [Int'l Joint Research] University of Utah(アメリカ合衆国)
• [Int'l Joint Research] Ewah Womans University/Hanyang Univeristy/Yonsei Univeristy(大韓民国)
• [Int'l Joint Research] ロシア科学アカデミーINR/Lomonosov State University(ロシア連邦)
• [Int'l Joint Research] Free University of Brussels(ベルギー王国)
• [Int'l Joint Research] University of Utah/Rutgers University(アメリカ合衆国)
• [Int'l Joint Research] Ewha Womans University/Hanyang University/Yonsei University(大韓民国)
• [Int'l Joint Research] ロシア科学アカデミーINR/Lomonosov State University(ロシア連邦)
• [Int'l Joint Research] Universite Libre de Bruxelles(ベルギー王国)
• [Journal Article] Depth of Ultra High Energy Cosmic Ray Induced Air Shower Maxima Measured by the Telescope Array Black Rock and Long Ridge FADC Fluorescence Detectors and Surface Array in Hybrid Mode (2018)
  • Author(s): R. U. Abbasi et al.
  • Journal Title: Astrophysical Journal Volume: 858 Pages: 76-76
  • DOI: 10.3847/1538-4357/aabad7
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Study of muons from ultrahigh energy cosmic ray air showers measured with the Telescope Array experiment (2018)
  • Author(s): R. U. Abbasi et al.
  • Journal Title: Physical Review D Volume: 98 Pages: 022002-022002
  • DOI: 10.1103/physrevd.98.022002
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Testing a Reported Correlation between Arrival Directions of Ultra-high-energy Cosmic Rays and a Flux Pattern from nearby Starburst Galaxies using Telescope Array Data (2018)
  • Author(s): R. U. Abbasi et al.
  • Journal Title: Astrophysical Journal Letter Volume: 867
  • DOI: 10.3847/2041-8213/aaebf9
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] The Cosmic Ray Energy Spectrum between 2 PeV and 2 EeV Observed with the TALE Detector in Monocular Mode (2018)
  • Author(s): R. U. Abbasi et al.
  • Journal Title: Astrophysical Journal Volume: 865 Pages: 74-74
  • DOI: 10.3847/1538-4357/aada05
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Development of the News DAQ System for the SD Array of TA×4 and TALE (2018)
  • Author(s): Y. Takahashi, R. Sahara, S. Konishi, T. Goto and S. Ogio for the Telescope Array collaboration
  • Journal Title: JPS Conference Proceedings Volume: 19 Pages: 011038-011038
  • DOI: 10.7566/jpscp.19.011038
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Telescope Array Low energy Extension: TALE (2018)
  • Author(s): S. Ogio for the Telescope Array collaboration
  • Journal Title: JPS Conference Proceedings Volume: 19 Pages: 011026-011026
  • DOI: 10.7566/jpscp.19.011026
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] The Telescope Array Low-energy Extension (2017)
  • Author(s): S. Udo, S. Ogio, M. Takeda, T. Nonaka, H. Sagawa, Y. Tsunesada, S. Kishigami, R. Sahara, Y. Takahashi and the Telescope Array Collaboration
  • Journal Title: Proceedings of International Cosmic Ray Conference 2017 Volume: 1 Pages: 544-544
  • Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Search for EeV protons of galactic origin (2017)
  • Author(s): R.U. Abbasi, S. Ogio, T. Nonaka, H. Sagawa, Y. Tsunesada, et al.
  • Journal Title: Astroparticle Physics Volume: 86 Pages: 21-26
  • DOI: 10.1016/j.astropartphys.2016.11.001
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] First upper limits on the radar cross section of cosmic-ray induced extensive air showers (2017)
  • Author(s): R. U. Abbasi, T. Nonaka, S. Ogio, H. Sagawa, M. Takeda, Y. Tsunesada, S. Udo et al.
  • Journal Title: Astroparticle Physics Volume: 87 Pages: 1-17
  • DOI: 10.1016/j.astropartphys.2016.11.006
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] The energy spectrum of cosmic rays above 10^^(17.2) eV measured by the fluorescenc detectors of the Telescope Array-experiment in seven years (2016)
  • Author(s): R.U. Abbasi, S. Ogio, T. Nonaka, H. Sagawa, Y. Tsunesada, et al.
  • Journal Title: Astroparticle Physics Volume: 80 Pages: 131-140
  • DOI: 10.1016/j.astropartphys.2016.04.002
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] A Northern Sky Survey for Point-Like Sources of EeV Neutral Particles with the Telescope Array Experiment (2015)
  • Author(s): R. U. Abbasi, K. Kawata, et al.
  • Journal Title: ApJ Volume: 804 Pages: 1-11
  • DOI: 10.1088/0004-637x/804/2/133
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Measurement of the proton-air cross section with Telescope Array's Middle Drum detector and surface array in hybrid mode (2015)
  • Author(s): R. U. Abbasi, S. Ogio, T. Nonaka, H. Sagawa, Y. Tsunesada, et al.
  • Journal Title: PHYSICAL REVIEW D Volume: 92 Pages: 032007-032007
  • DOI: 10.1103/physrevd.92.032007
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] TA実験325：TALE実験全体報告４ (2019)
  • Author(s): 藤原亮太 他Telescope Array collaboration
  • Organizer: 日本物理学会 第74回年次大会
• [Presentation] TA実験326：TALE実験大気蛍光望遠鏡を用いた単眼観測およびハイブリッド観測によるデータ解析 (2019)
  • Author(s): 藤田慧太郎 他Telescope Array collaboration
  • Organizer: 日本物理学会 第74回年次大会
• [Presentation] Telescope Array Experiment (2018)
  • Author(s): Shoichi Ogio for the Telescope Array collaboration
  • Organizer: 20th International Symposium on Very High Energy Cosmic Ray interaction
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Latest results and current status of theTelescope Array Experiment (2018)
  • Author(s): Shoichi Ogio for the Telescope Array collaboration
  • Organizer: Very High Energy Phenomena in the Universe 2018
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] TALE surface detector array and TALE hybrid system (2018)
  • Author(s): Shoichi Ogio for the Telescope Array collaboration
  • Organizer: Ultra High Energy Cosmic Rays 2018
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Ultra-high-energy cosmic ray measurement, TALE experiment (2018)
  • Author(s): Ryota Fujiwara
  • Organizer: International Symposium in Honor of Professor Nambu for the 10th Anniversary of his Nobel Prize in Physics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] TA実験320：モンテカルロシミュレーションによるTAとTALEによるFD複眼観測の性能評価 (2018)
  • Author(s): 藤田慧太郎 他Telescope Array collaboration
  • Organizer: 日本物理学会 2018年秋季大会
• [Presentation] TA実験313：TALE実験全体報告3 (2018)
  • Author(s): 藤田慧太郎、荻尾彰一
  • Organizer: 日本物理学会第73回年次大会
• [Presentation] TA実験288：TALE実験地表検出器全体報告（２） (2017)
  • Author(s): 佐原涼介、荻尾彰一、有働慈治、野中敏幸、竹田成宏、 佐川宏行、他
  • Organizer: 日本物理学会
  • Place of Presentation: 大阪大学（大阪府、豊中市）
  • Year and Date: 2017-03-17
• [Presentation] The Telescope Array Low-energy Extension (2017)
  • Author(s): S. Udo, S. Ogio, M. Takeda, T. Nonaka, H. Sagawa, Y. Tsunesada, S. Kishigami, R.Sahara, Y. Takahashi and the Telescope Array Collaboration
  • Organizer: The 35th International Cosmic Ray Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] TA実験305：TALE実験、TA×4実験用地表検出器アレイのための制御エレクトロニクスとデータ収集システムの開発 (2017)
  • Author(s): 佐原涼介、荻尾彰一
  • Organizer: 日本物理学会2017年秋季大会
• [Presentation] Telescope Array Low energy Extension: TALE (2016)
  • Author(s): Shoichi Ogio
  • Organizer: UHECR2016
  • Place of Presentation: Kyoto Research Park（京都府、京都市）
  • Year and Date: 2016-10-11
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Development of the new DAQ system for the SD array of TA×4 and TALE (2016)
  • Author(s): Yuichi Takahashi, S. Ogio et al.
  • Organizer: UHECR2016
  • Place of Presentation: Kyoto Research Park（京都府、京都市）
  • Year and Date: 2016-10-11
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] TA実験288：TALE実験地表検出器全体報告（１） (2016)
  • Author(s): 荻尾彰一、他
  • Organizer: 日本物理学会
  • Place of Presentation: 宮崎大学（宮崎県、宮崎市）
  • Year and Date: 2016-09-21
• [Presentation] TA実験279：TALE実験用地表検出器アレイのためのエレクトロニクスとTALE実験初期解析 (2016)
  • Author(s): 高橋優一、荻尾彰一、有働慈治、野中敏幸、竹田成宏、佐川宏行、ほかTelescope Array Collaboration
  • Organizer: 日本物理学会
  • Place of Presentation: 東北学院大学（宮城県・仙台市）
  • Year and Date: 2016-03-19
• [Presentation] TA実験274：TALE実験用地表検出器アレイのためのエレクトロニクスと検出器の開発(2) (2015)
  • Author(s): 西本義樹、荻尾彰一、野中敏幸、竹田成宏、佐川宏行、ほかTelescope Array Collaboration
  • Organizer: 日本物理学会
  • Place of Presentation: 大阪市立大学（大阪府・大阪市）
  • Year and Date: 2015-09-25
• [Presentation] 超高エネルギー宇宙線観測による宇宙線起源探査 (2015)
  • Author(s): 荻尾彰一
  • Organizer: 日本物理学会
  • Place of Presentation: 大阪市立大学（大阪府・大阪市）
  • Year and Date: 2015-09-25
  • Invited
• [Presentation] Development of the TALE Surface Detector Array (2015)
  • Author(s): S. Konishi, S. Ogio, for the Telescope Array Collaboration
  • Organizer: 34th International Cosmic Ray Conference
  • Place of Presentation: デン・ハーグ（オランダ）
  • Year and Date: 2015-07-30
  • Int'l Joint Research
• [Remarks] テレスコープアレイ実験
  • URL: http://www-ta.icrr.u-tokyo.ac.jp
• [Remarks] Telescope Array experiment
  • URL: http://www.telescopearray.org
• [Remarks] The Telescope Array Project
  • URL: http://www.telescopearray.org
• [Remarks] 大阪市立大学宇宙線物理学研究室
  • URL: http://www.cosmicray-ocu.jp/
• [Remarks] テレスコープアレイ実験
  • URL: http://www-ta.icrr.u-tokyo.ac.jp/
• [Remarks] The Telescope Array Project
  • URL: http://www.telescopearray.org/
• [Remarks] 大阪市立大学大学院理学研究科宇宙線物理学研究室
  • URL: http://www.cosmicray-ocu.jp
• [Remarks] The Telescope Array project
  • URL: http://www.telescopearray.org
• [Remarks] 大阪市立大学宇宙線物理学研究室
  • URL: http://www.cosmicray-ocu.jp