Novel Development of Highest Energy Gamma Ray Astronomy

• Project/Area Number: 20H05640
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (S)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Broad Section B
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 瀧田 正人 東京大学, 宇宙線研究所, 教授 (20202161)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): さこ 隆志 東京大学, 宇宙線研究所, 准教授 (90324368)
• Project Period (FY): 2020-08-31 – 2025-03-31
• Project Status: Declined (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥197,990,000 (Direct Cost: ¥152,300,000、Indirect Cost: ¥45,690,000); Fiscal Year 2022: ¥58,500,000 (Direct Cost: ¥45,000,000、Indirect Cost: ¥13,500,000); Fiscal Year 2021: ¥64,870,000 (Direct Cost: ¥49,900,000、Indirect Cost: ¥14,970,000); Fiscal Year 2020: ¥56,030,000 (Direct Cost: ¥43,100,000、Indirect Cost: ¥12,930,000)
• Keywords: 宇宙ガンマ線 / 宇宙線 / 空気シャワー / ミューオン / ボリビア / sub-PeV / チェレンコフ光 / シンチレーション光 / ガンマ線 / ミュー粒子

Outline of Research at the Start

本研究の概要は、南米ボリビアの標高4700m地点に新しい宇宙線観測装置を建設し、南天では世界初の最高エネルギー領域(百兆から千兆電子ボルト = 0.1 - 1 PeV)でガンマ線放射天体を観測することにより、その親粒子となる千兆電子ボルト（1 PeV) 銀河宇宙線加速天体の正体という、宇宙物理学の長年の謎を解明することを目指す研究である。
銀河系中心近傍や超新星残骸等の有力天体から統計的に有意なガンマ線信号を検出することが期待されている。昼夜・天候を問わず長い観測時間を実現できることや地下ミュー粒子検出器により雑音となる荷電粒子宇宙線信号を99.9%除去できることが鍵となる。

Outline of Annual Research Achievements

南米ボリビアの標高4,740m地点に新しい宇宙線観測装置を建設し、南天では世界初の最エ高ネルギー領域(百兆から千兆電子ボルト：sub-PeV = 0.1 - 1 PeV）でガンマ線放射天体を観測する。そして、その親粒子となる千兆電子ボルト（1 PeV) 銀河宇宙線加速天体の正体という、宇宙線物理学の長年の謎を解明する。南半球からは、銀河系中心ブラックホールや多数の超新星残骸などの極限物理状態の天体が観測可能で、どの天体現象がどのエネルギーまで粒子を加速できるのかを明らかにする。
本年度は、ボリビアのサンアンドレス大学・ボリビアの建設業者とミュー粒子検出器用貯水槽の設計と基礎調査を行った。本計画の一部であるプロトタイプ実験ALPAQUITA（地表空気シャワー検出器約100台）の建設に向けたインフラ整備は、サンアンドレス大学の工学部や施設担当者らの協力によってほぼ完成した。ALPAQUITAの地表空気シャワー検出器の設置作業が進んでいる。観測施設に給水するための井戸の掘削方法とパイプ・ポンプの設置方法の検討、質と水量に関する調査を進めた。また、本計画で実行可能・最適な地表空気シャワー検出器の数・配置場所を地下ミュー粒子検出器の面積・設置場所と合わせて検討した。地下ミュー粒子検出器のデザインも最終段階を迎え、まもなく設置予定である。さらに、光電子増倍管、高圧電源、読み出し回路等を日本で準備・試験した。個々の装置の特性の理解と読み出しソフトウェアの動作確認が目的である。また、ALPAQUITAに地下ミュー粒子観測装置の一部を組み合わせた実験のsub-PeV領域ガンマ線放射天体に関する感度をモンテカルロシミュレーションによって評価したところ、1年間の観測期間で数個の明るい天体が検出可能であることが判明した。本計画に関して、オンラインで国内外研究打ち合わせや国内外発表を行った。

Research Progress Status

翌年度、交付申請を辞退するため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

翌年度、交付申請を辞退するため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] La Universidad Mayor de San Andres(ボリビア)
• [Int'l Joint Research] La Universidad de Guadalajara(メキシコ)
• [Int'l Joint Research] la Universidad Mayor de San Andres(ボリビア)
• [Int'l Joint Research] la Universidad de Guadalajara(メキシコ)
• [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): F. Aceves de la Cruz et al., (ALPACA collaboration)
  • Journal Title: PoS(ICRC2021) Volume: 733 Pages: 1-9
  • DOI: 10.22323/1.395.0733
  • Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] A simulation study on the performance of the ALPAQUITA experiment (2021)
  • Author(s): F. Aceves de la Cruz et al., (The ALPACA Collaboration)
  • Journal Title: PoS(ICRC2021) Volume: 737 Pages: 1-9
  • DOI: 10.22323/1.395.0737
  • Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Half ALPACA and its sensitivity to sub-PeV gamma rays from the Galactic Center (2021)
  • Author(s): F. Aceves de la Cruz et al., (The ALPACA Collaboration)
  • Journal Title: PoS(ICRC2021) Volume: 899 Pages: 1-9
  • DOI: 10.22323/1.395.0899
  • Open Access / Int'l Joint Research
• [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 (The ALPACA Collaboration)
  • Organizer: 日本物理学会、 オンライン、 2022年 3月 15日 - 3月 19日
• [Presentation] ALPACA実験 26：ガンマ 線強度推定におけるハドロン相互作用モデルによる不確定性 (2022)
  • Author(s): 奥川創介 (The ALPACA Collaboration)
  • Organizer: 日本物理学会、 オンライン、 2022年 3月 15日 - 3月 19日
• [Presentation] ALPACA実験 25： ALPACA実験の性能評価シミュレーション (2022)
  • Author(s): 横江誼衡 (The ALPACA Collaboration)
  • Organizer: 日本物理学会、 オンライン、 2022年 3月 15日 - 3月 19日
• [Presentation] ALPACA実験 24 ：建設状況と2022年の計画 (2022)
  • Author(s): 﨏隆志 (The ALPACA Collaboration)
  • Organizer: 日本物理学会、 オンライン、 2022年 3月 15日 - 3月 19日
• [Presentation] ALPACA実験 23： ALPAQUITA実験の性能評価シミュレーション 7 (2021)
  • Author(s): 加藤勢 (The ALPACA Collaboration)
  • Organizer: 日本物理学会、 オンライン、 2021年 9月 14日 - 9月 17日
• [Presentation] ALPACA実験： 22 Half ALPACA実験の性能評価シミュレーション 2 (2021)
  • Author(s): 横江誼衡 (The ALPACA Collaboration)
  • Organizer: 日本物理学会、 オンライン、 2021年 9月 14日 - 9月 17日
• [Presentation] Current status of ALPACA for exploring sub-PeV gamma-ray sky in Bolivia (2021)
  • Author(s): T. Sako (The ALPACA Collaboration)
  • Organizer: ICRC2021, Online, July 12 - 23, 2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] A simulation study on the performance of the ALPAQUITA experiment (2021)
  • Author(s): S. Kato (The ALPACA Collaboration)
  • Organizer: ICRC2021, Online, July 12 - 23, 2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Half ALPACA and its sensitivity to sub-PeV gamma rays from the Galactic Center (2021)
  • Author(s): Y. Yokoe (The ALPACA Collaboration)
  • Organizer: ICRC2021, Online, July 12 - 23, 2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ALPACA実験 21 ALPAQUITA実験用 デ ータ収集システム開発 (2021)
  • Author(s): 大浦敏宏 (The ALPACA Collaboration)
  • Organizer: 日本物理学会、 オンライン、 2021年 3月 12日 - 3月 15日
• [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 (The ALPACA Collaboration)
  • Organizer: 日本物理学会、 オンライン、 2021年 3月 12日 - 3月 15日
• [Presentation] ALPACA実験 19 half-ALPACA実験 の 性 能評価シミュレーション 1 (2021)
  • Author(s): 横江誼衡 (The ALPACA Collaboration)
  • Organizer: 日本物理学会、 オンライン、 2021年 3月 12日 - 3月 15日
• [Presentation] Toward the highest-energy gamma-ray astronomy in the southern hemisphere (2020)
  • Author(s): S. Kato (The ALPACA Collaboration)
  • Organizer: AAPPS-DACG Workshop on Astrophysics, Cosmology and Gravitation, Online, November 9 -13
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] VHE gamma-ray astronomy using the prototype array of a new extensive air-shower-array experiment ALPACA in the southern hemisphere (2020)
  • Author(s): S. Kato (The ALPACA Collaboration)
  • Organizer: Connecting high-energy astroparticle physics for origins of cosmic rays and future perspective , Kyoto, Japan, December 7 - 10,
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ALPACA実験 18 ALPAQUITA実験 の 性能 評価シミュレーション 5 (2020)
  • Author(s): 加藤勢 (The ALPACA Collaboration)
  • Organizer: 日本物理学会、 オンライン、 2020年 9月 14日 - 9月 17日
• [Presentation] ALPACA実験 17 ALPAQUITA進捗状況 7 (2020)
  • Author(s): 横江誼衡 (The ALPACA Collaboration)
  • Organizer: 日本物理学会、 オンライン、 2020年 9月 14日 - 9月 17日
• [Remarks] ALPACA Experiment
  • URL: https://alpaca-experiment.org/