Observation of Ultra-High Energy Cosmic Rays and Measurement of Their Mass Composition with a New-Type Fluorescence Detector

• Project/Area Number: 16J04564
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Particle/Nuclear/Cosmic ray/Astro physics
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 藤井 俊博 東京大学, 宇宙線研究所, 特別研究員(PD) (50706877)
• Project Period (FY): 2016-04-22 – 2019-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2018)
• Budget Amount: ¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000); Fiscal Year 2018: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2017: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2016: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
• Keywords: 宇宙線 / 極高エネルギー / 大気蛍光望遠鏡 / 質量組成 / テレスコープアレイ実験 / FAST実験 / 宇宙線観測 / 極高エネルギー宇宙線 / 空気シャワー

Outline of Annual Research Achievements

次世代の宇宙線観測実験を目指した開発研究として、直径1.6 m の複合鏡とその焦点面に4本の8インチの光電子増倍管を設置した低コスト型の新型大気蛍光望遠鏡による宇宙線観測を実施した。2016年から2018年までの間に米国ユタ州のテレスコープアレイ実験の観測サイトに合計3基の新型大気蛍光望遠鏡を設置し、日本からの遠隔操作によって定常観測を達成した。3基の新型大気蛍光望遠鏡で、仰角方向に30度と方位角方向に90度の視野角に到来する宇宙線を観測できる。そして、新型大気蛍光望遠鏡とデータ収集回路の統合試験として、21 km先の紫外線垂直レーザー光源を観測した。この信号は19.5乗電子ボルトの宇宙線が21 km先に到来した時に期待される信号に相当するため、新型大気蛍光望遠鏡が期待通りの性能を持っているかの検証になっている。加えて、30分ごとにレーザー光源は射出されることを利用し、その信号の大きさから時々刻々と変化する大気透明度を解析できることを明らかにした。
これまでの新型大気蛍光望遠鏡の観測運用で、累計515時間の夜間の観測時間を実施した。新型大気蛍光望遠鏡の測定データを使って解析した結果、これまでに観測できた宇宙線の中で最もエネルギーの高い宇宙線は1.7×10の19乗 eVのエネルギーを持ち、宇宙線の質量組成に依存する空気シャワーの最大発達深さ(Xmax)は842 g/cm^{2}であった。現在これらの解析結果をまとめ、学術論文としての投稿を準備中である。

Research Progress Status

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] The full-scale prototype for the Fluorescence detector Array of Single-pixel Telescopes (2018)
  • Author(s): T. Fujii et al
  • Journal Title: JPS Conf. Proc. Volume: 19 Pages: 011047-011047
  • DOI: 10.7566/jpscp.19.011047
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] First results from the full-scale prototype for the Fluorescence detector Array of Single-pixel Telescopes (2017)
  • Author(s): Toshihiro Fujii for the FAST Collaboration
  • Journal Title: Proc. of 35th International Cosmic Ray Conference Volume: ICRC2017 Pages: 468-468
  • Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] A systematic uncertainty on the energy scale of the Telescope Array fluorescence detectors (2017)
  • Author(s): Toshihiro Fujii for the Telescope Array Collaboration
  • Journal Title: Proc. of 35th International Cosmic Ray Conference Volume: ICRC2017 Pages: 524-524
  • Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] The prototype opto-mechanical system for the Fluorescence detector Array of Single-pixel Telescopes (2017)
  • Author(s): D. Mandat, T. Fujii (9/19) et al.
  • Journal Title: Journal of Instrumentation Volume: 12 Issue: 07 Pages: T07001-T07001
  • DOI: 10.1088/1748-0221/12/07/t07001
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] FAST実験7：新型大気蛍光望遠鏡による極高エネルギー宇宙線観測報告 (2018)
  • Author(s): 藤井俊博
  • Organizer: 日本物理学会第74回年次大会, 九州大学
• [Presentation] A next-generation ground array for the detection of ultrahigh-energy cosmic rays: the Fluorescence detector Array of Single-pixel Telescopes (FAST) (2018)
  • Author(s): T. Fujii
  • Organizer: Ultra High Energy Cosmic Ray 2018, Paris, France,
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] FAST実験6：新型大気蛍光望遠鏡による観測報告とピエールオージェ観測所への設置計画 (2018)
  • Author(s): 藤井俊博
  • Organizer: 日本物理学会2018年秋季大会, 信州大学
• [Presentation] A next-generation ground array for ultrahigh-energy cosmic rays: Fluorescence detector Array of Single-pixel Telescopes (FAST) (2018)
  • Author(s): T. Fujii
  • Organizer: TeV Particle Astrophysics 2018, Berlin, Germany
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Future ground arrays for ultrahigh-energy cosmic rays: recent updates and perspectives (2018)
  • Author(s): T. Fujii
  • Organizer: 20th International Symposium on Very High Energy Cosmic Ray Interactions, Nagoya, Japan
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 大気蛍光望遠鏡による極高エネルギー宇宙線スペクトルの研究 (2018)
  • Author(s): 藤井俊博
  • Organizer: 日本物理学会若手奨励賞受賞記念講演
  • Invited
• [Presentation] FAST実験4：大気蛍光望遠鏡による極高エネルギー宇宙線観測報告 (2017)
  • Author(s): 藤井俊博
  • Organizer: 日本物理学会第72回年次大会
  • Place of Presentation: 大阪大学（大阪府豊中市）
  • Year and Date: 2017-03-17
• [Presentation] FAST実験5：新型大気蛍光望遠鏡の遠隔運用と宇宙線観測報告 (2017)
  • Author(s): 藤井俊博 for the FAST collaboration
  • Organizer: 日本物理学会2017秋季大会
• [Presentation] First results from the full-scale prototype for the Fluorescence detector Array of Single-pixel Telescopes (2017)
  • Author(s): Toshihiro Fujii for the FAST collaboration
  • Organizer: 35th International Cosmic Ray Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] A systematic uncertainty on the energy scale of the Telescope Array fluorescence detectors (2017)
  • Author(s): Toshihiro Fujii for the Telescope Array collaboration
  • Organizer: 35th International Cosmic Ray Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] The full-scale prototype for the Fluorescence detector Array of Single-pixel Telescopes (2016)
  • Author(s): T. Fujii
  • Organizer: 2016 International Conference on Ultra-High Energy Cosmic Rays (UHECR 2016)
  • Place of Presentation: Kyoto Research Park（京都府京都市）
  • Year and Date: 2016-10-11
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] FAST実験3：新型大気蛍光望遠鏡の試験観測報告 (2016)
  • Author(s): 藤井俊博
  • Organizer: 日本物理学会2016年秋季大会
  • Place of Presentation: 宮崎大学（宮崎県宮崎市）
  • Year and Date: 2016-09-21
• [Presentation] The FAST project -Next Generation UHECR Observatory- (2016)
  • Author(s): T. Fujii
  • Organizer: Roma International Conference on Astroparticle Physics (RICAP 2016)
  • Place of Presentation: Frascati (Italy)
  • Year and Date: 2016-06-21
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Future Prospects on UHECR and UHE Photon (2016)
  • Author(s): T. Fujii
  • Organizer: Multi-messenger Approches to Cosmic Rays: Origins and Space Frontiers (MACROS 2016)
  • Place of Presentation: State College (USA)
  • Year and Date: 2016-06-19
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Remarks] FAST Project(FAST実験)「極高エネルギー宇宙線天文学」への挑戦
  • URL: https://www.fast-project.org
• [Remarks] 宇宙極限事象解明する新たな目 次世代の天文学「極高エネルギー宇宙線天文学」への挑戦
  • URL: https://www.fast-project.org
• [Remarks] 宇宙極限事象を解明する新たな目 次世代の天文学「極高エネルギー宇宙線天文学」への挑戦
  • URL: https://www.fast-project.org