Search for cosmic PeV particle accelerators using a new cosmic-ray observatory in Andes highland

• Project/Area Number: 19H00678
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Medium-sized Section 15:Particle-, nuclear-, astro-physics, and related fields
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: さこ 隆志 東京大学, 宇宙線研究所, 准教授 (90324368)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 日比野 欣也 神奈川大学, 工学部, 教授 (80260991)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥45,240,000 (Direct Cost: ¥34,800,000、Indirect Cost: ¥10,440,000); Fiscal Year 2023: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000); Fiscal Year 2022: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000); Fiscal Year 2021: ¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000); Fiscal Year 2020: ¥21,320,000 (Direct Cost: ¥16,400,000、Indirect Cost: ¥4,920,000); Fiscal Year 2019: ¥14,950,000 (Direct Cost: ¥11,500,000、Indirect Cost: ¥3,450,000)
• Keywords: 宇宙ガンマ線 / 銀河系宇宙線 / 粒子加速天体 / 空気シャワーアレイ / 地下ミュー粒子検出器 / 宇宙線 / ガンマ線天文学 / 粒子加速 / 銀河宇宙線 / 宇宙線加速 / 銀河系中心 / 100TeV / 空気シャワー

Outline of Research at the Start

宇宙から飛来する高エネルギー粒子「宇宙線」は発見から100年以上が経つが、いまだにその起源は明らかではない。本研究では、宇宙線発生天体の周辺で生成される超高エネルギーガンマ線を、世界最高の感度で観測して宇宙線の発生源を探る。南米アンデス山中・ボリビア共和国の標高4700mの土地に新しい宇宙線観測装置を建設して、南半球の空を365日24時間休みなく観測することで、到来数の非常に少ない超高エネルギーガンマ線をとらえることができる。南半球では銀河系中心方向にある超巨大ブラックホールや、超新星残骸、パルサーなどの多くの極限天体が観測可能で、どの天体が（複数か未知の天体か）宇宙線の起源かを明らかにする。

Outline of Annual Research Achievements

南半球で初めて最高エネルギーの宇宙ガンマ線を観測する実験ALPACAの建設を進めている。本科研費によって、その1/4の地上検出器アレイを設置し、安定運用を開始した。前年度末に設置が完了した97台の検出器に対し、6月に初期不良検出器の改善を行い、以降順調に宇宙線空気シャワーデータの蓄積を続けている。装置性能を検証する月の影を、8シグマの統計的有意度で検出に成功した。even-odd法を用いた実データによる検証、月の影、モンテカルロシミュレーション、全てで角度分解能が1度である結果を示している。これは観測している宇宙線の中央エネルギー7TeVに対して妥当な性能である。
半年ほどのデータを用いて南半球の超新星残骸RXJ1713.7-3946からの10-200TeV領域のガンマ線探索を行った。今回は有意な信号検出には至らなかったが、100TeV領域ですでに先行研究に迫るフラックス上限値をつけることができた。その他、シングル係数率の記録を続け、太陽コロナ質量放出に伴うフォーブッシュ減少の検出にも成功している。データは20分ごとに日本に自動転送、自動初期処理され、装置の運転状況をほぼリアルタイムで確認できるようになった。
ガンマ線検出感度を向上するための地下ミュー粒子検出器の設計を確定した。建設は別科研費によるが、24年度から本格的なガンマ線天文学を開始する準備が整った。また、ミュー粒子検出器に必要な大量の水を確保するためにサイト近くのダム水を取得する準備を進め、現地で日本製のフィルターを使うことで十分な水質が得られることを検証した。
メキシコ共同研究者と電波データとガンマ線データを用いた起源粒子探索の研究を進め、ALPACAのデータ解釈の予備研究を行った。

Research Progress Status

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Universidad Major San Andres(ボリビア)
• [Int'l Joint Research] Universidad de Guadalajara(メキシコ)
• [Int'l Joint Research] サンアンドレス大学(ボリビア)
• [Int'l Joint Research] グアダラハラ大学(メキシコ)
• [Int'l Joint Research] サンアンドレス大学(ボリビア)
• [Int'l Joint Research] グアダラハラ大学(メキシコ)
• [Int'l Joint Research] サンアンドレス大学(ボリビア)
• [Int'l Joint Research] グアダラハラ大学(メキシコ)
• [Int'l Joint Research] サンアンドレス大学(ボリビア)
• [Int'l Joint Research] グアダラハラ大学(メキシコ)
• [Journal Article] Evidence for a gamma-ray molecular target in the enigmatic PeVatron candidate LHAASO J2108+5157 (2023)
  • Author(s): de la Fuente E.、Toledano-Ju?rez I.、Kawata K.、Trinidad M. A.、Yamagishi M.、Takekawa S.、Tafoya D.、Ohnishi M.、Nishimura A.、Kato S.、Sako T.、Takita M.、Sano H.、Yadav R. K.
  • Journal Title: Astronomy & Astrophysics Volume: 675 Pages: L5-L5
  • DOI: 10.1051/0004-6361/202346681
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Detection of a new molecular cloud in the LHAASO J2108+5157 region supporting a hadronic PeVatron scenario (2023)
  • Author(s): de la Fuente Eduardo、Toledano-Juarez Ivan、Kawata Kazumasa、Trinidad Miguel A、Tafoya Daniel、Sano Hidetoshi、Tokuda Kazuki、Nishimura Atsushi、Onishi Toshikazu、Sako Takashi、Hona Binita、Ohnishi Munehiro、Takita Masato
  • Journal Title: Publications of the Astronomical Society of Japan Volume: - Issue: 3 Pages: 546-566
  • DOI: 10.1093/pasj/psad018
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Hadronic interaction model dependence in cosmic Gamma-ray flux estimation using an extensive air shower array with a muon detector (2023)
  • Author(s): S. Okukawa et al.
  • Journal Title: Experimental Astronomy Volume: - Issue: 2 Pages: 325-342
  • DOI: 10.1007/s10686-022-09883-4
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] ALPACA experiment: A new air shower array to explore the sub-PeV gamma-ray sky in the southern hemisphere (2022)
  • Author(s): M. Anzorena et al. (The ALPACA Collaboration)
  • Journal Title: Proceedings of Science Volume: ICHEP2022 Pages: 91-91
  • Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Detectability of southern gamma-ray sources beyond 100 TeV with ALPAQUITA, the prototype experiment of ALPACA (2021)
  • Author(s): S. Kato et al. (The ALPACA Cooboration)
  • Journal Title: Experimental Astronomy Volume: 52 Issue: 1-2 Pages: 85-107
  • DOI: 10.1007/s10686-021-09796-8
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Current status of ALPACA for exploring sub-PeV gamma-ray sky in Bolivia (2021)
  • Author(s): T. Sako on behalf of the ALPACA Collaboration
  • Journal Title: Proceedings of Science Volume: ICRC2021 Pages: 733-733
  • Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Current statu of ALPACA for exploring sub-PeV gamma-ray sky in Bolivia (2021)
  • Author(s): T. Sako for the ALPACA collaboration
  • Journal Title: Proceedings of Science Volume: ICRC2021 Pages: 733-733
  • Int'l Joint Research
• [Journal Article] Half ALPACA and its sensitivity to sub-PeV gamma-rays from the Galactic Center (2021)
  • Author(s): Y. Yokoe for the ALPACA collaboration
  • Journal Title: Proceedings of Science Volume: ICRC2021 Pages: 899-899
  • Int'l Joint Research
• [Journal Article] A simulation study on the performance of the ALPAQUITA experiment (2021)
  • Author(s): S. Kato for the ALPACA Collaboration
  • Journal Title: Proceedings of Science Volume: ICRC2021 Pages: 737-737
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ALPACA実験38: 現状報告 (2024)
  • Author(s): 川田和正
  • Organizer: 日本物理学会
• [Presentation] ALPACA39:ALPAQUITA実験データ解析 (2024)
  • Author(s): 後藤佳歩
  • Organizer: 日本物理学会
• [Presentation] Overview status of the ALPACA experiment (2023)
  • Author(s): Martin Alfonso Subieta Vasquez
  • Organizer: 38th International Cosmic Ray Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Mega ALPACA to explore multi-PeV gamma-ray sky in the southern hemisphere (2023)
  • Author(s): Takashi Sako
  • Organizer: 38th International Cosmic Ray Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Sub-PeV to PeV photon observations using the new air shower array in Bolivia (2023)
  • Author(s): Takashi Sako
  • Organizer: Beyond the Standard Model 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ALPACA実験4 : ALPAQUITA初期性能と今後の建設計画 (2023)
  • Author(s): さこ隆志
  • Organizer: 日本天文学会 2023年春季大会
• [Presentation] ALPACA実験30: ALPAQUITA実験の現状とデータ解析 (2023)
  • Author(s): 川田和正
  • Organizer: 日本物理学会 2023年春
• [Presentation] ALPACA実験24： 建設状況と2022年の計画 (2022)
  • Author(s): Takashi Sako for the ALPACA Collaboration
  • Organizer: 日本物理学会 2022年年会
• [Presentation] ALPACA実験27: 光電子増倍管のダイナミックレンジの拡張 (2022)
  • Author(s): 川島輝能、他ALPACA Collaboration
  • Organizer: 日本物理学会 2022年年会
• [Presentation] ALPACA experiment : A new air shower array to explore the sub-PeV gamma-ray sky in the southern hemisphere (2022)
  • Author(s): Takashi Sako for the ALPACA Collaboration
  • Organizer: ICHEP2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] The ALPACA experiment: observing sub-PeV γ-rays in the Southern Hemisphere (2022)
  • Author(s): Marcos Anzorena for the ALPACA Collaboration
  • Organizer: 27th European Cosmic Ray Symposium
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ALPACA experiment: A new air shower array to explore the sub-PeV gamma-ray sky in the southern hemisphere (2022)
  • Author(s): Takashi Sako
  • Organizer: International Conference on High Energy Physics 2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ALPACA実験24：建設状況と2022年の計画 (2022)
  • Author(s): Takashi Sako
  • Organizer: 日本物理学会第77回年次大会
• [Presentation] ALPACA実験20:ALPAQUITA実験の性能評価シミュレーション6 (2021)
  • Author(s): 加藤勢、他ALPACA Collaboration
  • Organizer: 日本物理学会 2021年年会
• [Presentation] Current status of ALPACA for exploring sub-PeV gamma-ray sky in Bolivia (2021)
  • Author(s): Takashi Sako for the ALPACA Collaboration
  • Organizer: 37th ICRC 2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Current status of ALPACA for exploring sub-PeV gamma-ray sky in Bolivia (2021)
  • Author(s): Takashi Sako
  • Organizer: Internatioanal Cosmic Ray Conference 2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ALPACAの現状 (2020)
  • Author(s): さこ隆志
  • Organizer: CRC将来計画タウンミーティング
  • Invited
• [Presentation] VHE amma-ray astronomy using the prototype array of a new extensive air-shower experiment ALPACA in the southern hemisphere (2020)
  • Author(s): Sei Kato for the ALPACA Collaboration
  • Organizer: Connecting high-energy astroparticle physics for origins of cosmic rays and future perspectives
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ALPACA: A new air shower array experiment to explore 100TeV gamma-ray sky in Bolivia (2019)
  • Author(s): Takashi Sako
  • Organizer: TeV Particle Astrophysics 2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ALPACA air shower array to explore 100TeV gamma-ray sky in Bolivia (2019)
  • Author(s): Takashi Sako
  • Organizer: Internatioanal Cosmic Ray Conference 2019
  • Int'l Joint Research
• [Remarks] ALPACA実験
  • URL: https://alpaca-experiment.org/index_ja.html