Pioneering ultrahigh-energy cosmic ray astronomy using new air-fluorescence telescope array

• Project/Area Number: 21H04470
• 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: Osaka Metropolitan University (2022-2024); Kyoto University (2021)
• Principal Investigator: 藤井 俊博 大阪公立大学, 大学院理学研究科, 准教授 (50706877)
• Project Period (FY): 2021-04-05 – 2026-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥40,950,000 (Direct Cost: ¥31,500,000、Indirect Cost: ¥9,450,000); Fiscal Year 2024: ¥6,240,000 (Direct Cost: ¥4,800,000、Indirect Cost: ¥1,440,000); Fiscal Year 2023: ¥11,440,000 (Direct Cost: ¥8,800,000、Indirect Cost: ¥2,640,000); Fiscal Year 2022: ¥13,780,000 (Direct Cost: ¥10,600,000、Indirect Cost: ¥3,180,000); Fiscal Year 2021: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000)
• Keywords: 宇宙線 / 極高エネルギー / 大気蛍光 / 質量組成 / 宇宙線観測 / スペクトル / 化学組成

Outline of Research at the Start

宇宙空間から地球に降り注ぐ放射線「宇宙線」には、地球最大の粒子加速器での到達エネルギーを凌駕する10の20乗電子ボルトという莫大なエネルギーを持つ宇宙線が存在している。しかし、この巨視的なエネルギーを持つ宇宙線の起源・加速機構は明らかになっていない。本研究では宇宙線の起源・加速機構の解明を目指し、極高エネルギー宇宙線天文学を開拓するため、低コスト型の新型大気蛍光望遠鏡アレイを開発する。

Outline of Annual Research Achievements

宇宙空間で最も高いエネルギーを持つ「極高エネルギー宇宙線」は、爆発的な天体物理現象による加速か、もしくは標準模型を超えた物理を起源に持つと考えられているが、これまでの研究で起源・加速機構については未だ明らかになっていない。現在の世界最高感度を一桁更新し、極高エネルギー宇宙線天文学の開拓す る将来計画へ向けて、極高エネルギー宇宙線観測に特化した低コスト型の新型大気蛍光望遠鏡アレイを開発することが本研究課題の目的である。これまでの研究で、南北半球で極高エネルギー宇宙線観測を続けているテレスコープアレイ実験（TA）とピエールオージェ観測所（Auger）に、小型（1.6 m直径）の光学系と4本の大口径（20 cm直径）の光電子増倍管からなる低コスト型の新型大気蛍光望遠鏡を合計4基設置し、遠隔操作による宇宙線観測を継続している。本年度は、TAとAugerに設置した望遠鏡を使って遠隔操作によるデータ収集析を継続しながら、Augerへ2基目の新型大気望遠鏡を設置した。さらには、Augerへ設置する3基目の望遠鏡は、ソーラーパネルとバッテリーによって駆動する必要があるために、省電力化した波形収集回路を製作した。データ解析では、機械学習を使った新たな解析手法の開発を進め、学習手法の最適化・高速化を実現した。さらには3 地点に望遠鏡アレイとして設置したときの極高エネルギー宇宙線のエネルギーおよび質量組成に感度の高い最大発達深さの再構成精度を評価し、将来計画に必要な精度を持つことを確かめた。

Current Status of Research Progress

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

Reason

アルゼンチンのAugerサイトへ2基目の望遠鏡を設置し、さらにはソーラーパネルとバッテリーを使った自律稼働へ向けた新型エレクトロニクスの製作が進んでいる。また、得られたデータを解析するための解析手法の開発も進んでおり、3地点に設置した場合へむけた準備も順調に進んでいる。新型コロナウイルスの影響により設置は予定より遅れているが、それを除けば概ね順調に研究が進んでいる。

Strategy for Future Research Activity

新型コロナウイルスの状況を確認しながら、ピエールオージェ観測の3基目の望遠鏡の設置を進めていく。毎月開催している共同研究者とのオンライン会議を継続し、またアルゼンチン現地の人や共同研究者と密な連絡をとりつつ、設置へ向けた準備を進めていく。

Research Products

• [Int'l Joint Research] University of Chicago/University of Utah(米国)
• [Int'l Joint Research] University of Adelaide(オーストラリア)
• [Int'l Joint Research] Palacky University(チェコ)
• [Int'l Joint Research] University of L’Aquila(イタリア)
• [Journal Article] Recent results from prototypes of the Fluorescence detector Array of Single-pixel Telescopes (FAST) in both hemispheres (2023)
  • Author(s): Fujii Toshihiro et al. (The FAST Collaboration)
  • Journal Title: EPJ Web of Conferences Volume: 283 Pages: 06010-06010
  • DOI: 10.1051/epjconf/202328306010
  • Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Latest results of ultra-high-energy cosmic ray measurements with prototypes of the Fluorescence detector Array of Single-pixel Telescopes (FAST) (2021)
  • Author(s): T. Fujii et al. (FAST Collaboration)
  • Journal Title: Proceedings of 37th International Cosmic Ray Conference Volume: ICRC2021 Pages: 402-402
  • Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Measurement of the Fluctuations in the Number of Muons in Extensive Air Showers with the Pierre Auger Observatory (2021)
  • Author(s): Aab A., T. Fujii et al. (Pierre Auger Collaboration)
  • Journal Title: Physical Review Letters Volume: 126 Issue: 15 Pages: 152002-152002
  • DOI: 10.1103/physrevlett.126.152002
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] FAST実験14:新型大気蛍光望遠鏡による 南北半球での極高エネルギー宇宙線観測と自立稼働へ向けた開発研究 (2023)
  • Author(s): 藤井俊博
  • Organizer: 日本物理学会2023年春季大会
• [Presentation] Recent results from prototypes of the Fluorescence detector Array of Single-pixel Telescopes (FAST) in both hemispheres (2022)
  • Author(s): Toshihiro Fujii
  • Organizer: 6th International Symposium on Ultra High Energy Cosmic Rays
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] FAST実験13：新型大気蛍光望遠鏡アレイに用いるデータ収集回路の開発及び試験運用 (2022)
  • Author(s): 長澤広武
  • Organizer: 日本物理学会2022年秋季大会
• [Presentation] TA実験384：2021年5月27日に地表粒子検出器アレイで観測された極高エネルギー宇宙線事象次世代の極高エネルギー宇宙線事象 (2022)
  • Author(s): 藤井 俊博
  • Organizer: 日本物理学会 第77回年次大会
• [Presentation] Latest results of ultra-high-energy cosmic ray measurements with prototypes of the Fluorescence detector Array of Single-pixel Telescopes (FAST) (2021)
  • Author(s): Toshihiro Fujii
  • Organizer: 37th International Cosmic Ray Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Beyond-standard-model (BSM) physics searched by ultra-high-energy cosmic ray (UHECR) observations (2021)
  • Author(s): Toshihiro Fujii
  • Organizer: 1st workshop: Multi-messenger Study of Heavy Dark Matter
• [Presentation] Clarifying the Most Energetic Particles in the Universe (2021)
  • Author(s): Toshihiro Fujii
  • Organizer: Spin-off programme from HeKKSaGOn: Five Dialogues for Future Research and Science with Early Career Researchers
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Unraveling mysteries of the most energetic particle in the universe (2021)
  • Author(s): Toshihiro Fujii
  • Organizer: 3rd Toyama International Symposium on “Physics at the Cosmic Frontier” (PCF2021)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 次世代の極高エネルギー宇宙線観測実験FASTで期待される宇宙線起源・加速機構解明の新展開 (2021)
  • Author(s): 藤井 俊博
  • Organizer: 高エネルギー宇宙物理学研究会2021
• [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
• [Remarks] FAST Project
  • URL: https://www.fast-project.org