暗黒物質と銀河内PeV陽子加速源の発見を目指すガンマ線望遠鏡CTAの高感度化

• 研究課題/領域番号: 18KK0384
• 研究種目: 国際共同研究加速基金(国際共同研究強化(A))
• 配分区分: 基金
• 研究分野: 素粒子・原子核・宇宙線・宇宙物理
• 研究機関: 名古屋大学
• 研究代表者: 奥村 曉 名古屋大学, 宇宙地球環境研究所, 講師 (90645011)
• 研究期間 (年度): 2019 – 2023
• 研究課題ステータス: 完了 (2023年度)
• 配分額: 15,600千円 (直接経費: 12,000千円、間接経費: 3,600千円)
• キーワード: 宇宙線物理学 / ガンマ線天文学 / チェレンコフ望遠鏡アレイ（CTA） / 半導体光検出器 / ガンマ線 / 宇宙線 / CTA / SiPM / チェレンコフ望遠鏡アレイ / 暗黒物質 / 地上チェレンコフ望遠鏡

研究成果の概要

本課題では次世代ガンマ線望遠鏡であるチェレンコフ望遠鏡アレイ（CTA）の装置開発と初期観測の2つの研究を進めた。1つ目はCTA小口径望遠鏡の焦点面カメラの開発であり、ドイツのマックスプランク核物理学研究所を主たる国際共同研究機関として進めた。焦点面カメラに使用する光検出器の開発や光学シミュレーションに基づくカメラ設計を担当し、2025年に予定される望遠鏡1号機に向けたカメラ設計の最終化を行なった。2つ目ではスペインのカナリア天体物理研究所（IAC）を主たる国際共同研究機関とし、CTA大口径望遠鏡1号機の観測体制の構築と試験観測を進め、複数のガンマ線天体観測の結果を出版した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

高エネルギーの荷電粒子である宇宙線を人類の到達できないエネルギー領域まで加速する、銀河系内外の天体とその物理機構は何かという高エネルギー宇宙物理学の問いに答えるため、本研究では次世代ガンマ線望遠鏡であるチェレンコフ望遠鏡アレイ（CTA）の装置開発や初期運用を進めた。CTAの完成は2020年代後半に見込まれるため、現時点で華々しい成果には至っていないが、成果創出のための着実な進展が装置開発と観測体制の構築で得られ、また装置開発では半導体光検出器の高性能化などを進めることができ、産業利用への応用が期待される。

研究成果

• [国際共同研究] ロケ・デ・ロス・ムチャーチョス天文台(スペイン) (2020)
• [国際共同研究] マックスプランク核物理学研究所(ドイツ) (2019)
• [雑誌論文] Silicon photomultipliers for the SST camera of the Cherenkov Telescope Array (2024)
  • 著者名/発表者名: Depaoli D.、Lapington J.、Leach S.、Okumura A.、Sofia I.、Tajima H. et al.
  • 雑誌名: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment 巻: 1060 ページ: 169047-169047
  • DOI: 10.1016/j.nima.2023.169047
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Multi-year characterisation of the broad-band emission from the intermittent extreme BL Lac 1ES 2344+514 (2024)
  • 著者名/発表者名: MAGIC Collaboration:Abe H., Kushida J., Nishijima K., et al.
  • 雑誌名: Astronomy & Astrophysics 巻: 682
  • DOI: 10.1051/0004-6361/202347845
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] MAGIC detection of GRB 201216C at z= 1.1 (2023)
  • 著者名/発表者名: H. Abe et al.
  • 雑誌名: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 巻: 527 号: 3 ページ: 5856-5867
  • DOI: 10.1093/mnras/stad2958
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Performance of the joint LST-1 and MAGIC observations evaluated with Crab Nebula data (2023)
  • 著者名/発表者名: Abe H.、Abe K.、Abe S.、et al.
  • 雑誌名: Astronomy & Astrophysics 巻: 680 ページ: A66-A66
  • DOI: 10.1051/0004-6361/202346927
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Star tracking for pointing determination of Imaging Atmospheric Cherenkov Telescopes (2023)
  • 著者名/発表者名: K. Abe, et al.
  • 雑誌名: Astronomy & Astrophysics 巻: 679 ページ: A90-A90
  • DOI: 10.1051/0004-6361/202347128
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Observations of the Crab Nebula and Pulsar with the Large-sized Telescope Prototype of the Cherenkov Telescope Array (2023)
  • 著者名/発表者名: Abe H.、Abe K.、Abe S.、et al.
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 956 号: 2 ページ: 80-80
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ace89d
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Sensitivity of the Cherenkov Telescope Array to TeV photon emission from the Large Magellanic Cloud (2023)
  • 著者名/発表者名: Acharyya A、Adam R、Aguasca-Cabot A、et al.
  • 雑誌名: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 巻: 523 号: 4 ページ: 5353-5387
  • DOI: 10.1093/mnras/stad1576
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Sensitivity of the Cherenkov Telescope Array to spectral signatures of hadronic PeVatrons with application to Galactic Supernova Remnants (2023)
  • 著者名/発表者名: TheCherenkov Telescope Array Consortium, Acero F., Acharyya A., Adam R. et al.
  • 雑誌名: Astroparticle Physics 巻: 150 ページ: 102850-102850
  • DOI: 10.1016/j.astropartphys.2023.102850
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Multimessenger Characterization of Markarian 501 during Historically Low X-Ray and γ-Ray Activity (2023)
  • 著者名/発表者名: MAGIC Collaboration:Abe H., Kushida J., Nishijima K., et al.
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal Supplement Series 巻: 266 号: 2 ページ: 37-37
  • DOI: 10.3847/1538-4365/acc181
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Multiwavelength study of the galactic PeVatron candidate LHAASO J2108+5157 (2023)
  • 著者名/発表者名: Project CTA-LST、Jurysek J.、Balbo M.、Eckert D.、Tramacere A.、et al.
  • 雑誌名: Astronomy & Astrophysics 巻: - ページ: A75-A75
  • DOI: 10.1051/0004-6361/202245086
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Studies of propagation mechanism of optical crosstalk in silicon photomultipliers (2023)
  • 著者名/発表者名: Tajima H.、Okumura A.、Furuta K.
  • 雑誌名: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment 巻: 1049 ページ: 168029-168029
  • DOI: 10.1016/j.nima.2023.168029
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Development of a blue-mirror multilayer coating on light concentrators for future SiPM cameras (2023)
  • 著者名/発表者名: Okumura Akira、Haga Junya、Inoue Chiaki、Nishimoto Keiji、Furuta Kazuhiro、Tajima Hiroyasu
  • 雑誌名: Proceedings of the 38th International Cosmic Ray Conference 巻: - ページ: 673-673
  • DOI: 10.22323/1.444.0673
  • オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Study on the gain and photon detection efficiency drops of silicon photomultipliers under bright background conditions (2023)
  • 著者名/発表者名: Okumura Akira、Wakazono Kawori、Furuta Kazuhiro、Tajima Hiroyasu
  • 雑誌名: Proceedings of the 38th International Cosmic Ray Conference 巻: - ページ: 674-674
  • DOI: 10.22323/1.444.0674
  • オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Evaluation of the effective mirror area of CTA Small-Sized Telescopes for camera design and Monte Carlo simulation (2023)
  • 著者名/発表者名: Okumura Akira、Ross Duncan、G. Saturni Francesco、Sironi Giorgia、White Richard
  • 雑誌名: Proceedings of the 38th International Cosmic Ray Conference 巻: - ページ: 675-675
  • DOI: 10.22323/1.444.0675
  • オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] MAGIC observations provide compelling evidence of hadronic multi-TeV emission from the putative PeVatron SNR G106.3+2.7 (2023)
  • 著者名/発表者名: MAGIC Collaboration、Abe H.、Abe S.、Acciari V. A.、Agudo I.、Aniello T.、Ansoldi S.、Antonelli L. A.、Arbet Engels A.、Arcaro C.、Artero M.、Asano K.、et al.
  • 雑誌名: Astronomy & Astrophysics 巻: 671 ページ: A12-A12
  • DOI: 10.1051/0004-6361/202244931
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] The small-sized telescope of CTAO (2022)
  • 著者名/発表者名: Tagliaferri Gianpiero、Antonelli Angelo、Arnesen Tora、Aschersleben Jann、Attina' Primo、Balbo Matteo、Bang Sunghyun、Barcelo Miquel、Baryshev Andrey、Bellassai Giancarlo、et al.
  • 雑誌名: Proceedings of the SPIE 巻: 12182 ページ: 13-13
  • DOI: 10.1117/12.2627956
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Design and performance of the prototype Schwarzschild-Couder telescope camera (2022)
  • 著者名/発表者名: Adams Colin B. et al.
  • 雑誌名: Journal of Astronomical Telescopes, Instruments, and Systems 巻: 8 号: 01 ページ: 014007-014007
  • DOI: 10.1117/1.jatis.8.1.014007
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Development of an advanced SiPM camera for the Large Size Telescope of the Cherenkov TelescopeArray Observatory (2022)
  • 著者名/発表者名: H. Abe et al.
  • 雑誌名: Proceedings of the 37th International Cosmic Ray Conference 巻: N/A
  • オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Status and results of the prototype LST of CTA (2022)
  • 著者名/発表者名: H. Abe et al.
  • 雑誌名: Proceedings of the 37th International Cosmic Ray Conference 巻: N/A
  • オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] First follow-up of transient events with the CTA Large Size Telescope prototype (2022)
  • 著者名/発表者名: H. Abe et al.
  • 雑誌名: Proceedings of the 37th International Cosmic Ray Conference 巻: N/A
  • オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Detection of the Crab Nebula by the prototype Schwarzschild-Couder Telescope (2022)
  • 著者名/発表者名: B. Mode et al.
  • 雑誌名: Proceedings of the 37th International Cosmic Ray Conference 巻: N/A
  • オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Physics Performance of the Large Size Telescope prototype of the Cherenkov Telescope Array (2022)
  • 著者名/発表者名: H. Abe et al.
  • 雑誌名: Proceedings of the 37th International Cosmic Ray Conference 巻: N/A
  • オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Deep-learning-driven event reconstruction applied to simulated data from a single Large-Sized Telescope of CTA (2022)
  • 著者名/発表者名: R. Lopez-Coto et al.
  • 雑誌名: Proceedings of the 37th International Cosmic Ray Conference 巻: N/A
  • オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] The Small-Sized Telescopes for the Southern Site of the Cherenkov Telescope Array (2022)
  • 著者名/発表者名: R. White et al.
  • 雑誌名: Proceedings of the 37th International Cosmic Ray Conference 巻: N/A
  • オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Cross-calibration and combined analysis of the CTA-LST prototype and the MAGIC telescopes (2022)
  • 著者名/発表者名: Y. Ohtani et al.
  • 雑誌名: Proceedings of the 37th International Cosmic Ray Conference 巻: N/A
  • オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Camera Calibration of the CTA-LST prototype (2022)
  • 著者名/発表者名: Y. Kobayashi et al.
  • 雑誌名: Proceedings of the 37th International Cosmic Ray Conference 巻: N/A
  • オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Commissioning of the camera of the first Large Size Telescope of the Cherenkov Telescope Array (2022)
  • 著者名/発表者名: O. Blanch et al.
  • 雑誌名: Proceedings of the 37th International Cosmic Ray Conference 巻: N/A
  • オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Prototype Schwarzschild-Couder Telescope for the Cherenkov Telescope Array: Commissioning the Optical System (2022)
  • 著者名/発表者名: D. Ribeiro et al.
  • 雑誌名: Proceedings of the 37th International Cosmic Ray Conference 巻: N/A
  • オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Reconstruction of extensive air shower images of the Large Size Telescope prototype of CTA using a novel likelihood technique (2022)
  • 著者名/発表者名: C. Alispach et al.
  • 雑誌名: Proceedings of the 37th International Cosmic Ray Conference 巻: N/A
  • オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Monitoring the pointing of the Large Size Telescope prototype using star reconstruction in the Cherenkov camera (2022)
  • 著者名/発表者名: L. Foffano et al.
  • 雑誌名: Proceedings of the 37th International Cosmic Ray Conference 巻: N/A
  • オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Analysis of the Cherenkov Telescope Array first Large Size Telescope real data using convolutional neural networks (2022)
  • 著者名/発表者名: H. Abe et al.
  • 雑誌名: Proceedings of the 37th International Cosmic Ray Conference 巻: N/A
  • オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] ROBAST 3 (2022)
  • 著者名/発表者名: A. Okumura
  • 雑誌名: Proceedings of the 37th International Cosmic Ray Conference 巻: N/A
  • オープンアクセス
• [雑誌論文] CTA - the World's largest ground-based gamma-ray observatory (2022)
  • 著者名/発表者名: R. Zanin et al.
  • 雑誌名: Proceedings of the 37th International Cosmic Ray Conference 巻: N/A
  • オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Design and performance of the prototype Schwarzschild-Couder telescope camera (2022)
  • 著者名/発表者名: Colin B. Adams et al.
  • 雑誌名: Proceedings of the 37th International Cosmic Ray Conference 巻: N/A
  • オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Technical and scientific performance of the prototype Schwarzschild-Couder telescope for CTA (2022)
  • 著者名/発表者名: Colin B. Adams et al.
  • 雑誌名: Proceedings of the 37th International Cosmic Ray Conference 巻: N/A
  • オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Technical and scientific performance of the prototype Schwarzschild-Couder telescope for CTA (2021)
  • 著者名/発表者名: Adams Colin B. et al.
  • 雑誌名: Proceedings of the SPIE 巻: 11820 ページ: 17-17
  • DOI: 10.1117/12.2594580
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Detection of the Crab Nebula with the 9.7?m prototype Schwarzschild-Couder telescope (2021)
  • 著者名/発表者名: Adams C.B et al.
  • 雑誌名: Astroparticle Physics 巻: 128 ページ: 102562-102562
  • DOI: 10.1016/j.astropartphys.2021.102562
  • 査読あり
• [雑誌論文] Sensitivity of the Cherenkov Telescope Array to a dark matter signal from the Galactic centre (2021)
  • 著者名/発表者名: Acharyya A et al.
  • 雑誌名: Journal of Cosmology and Astroparticle Physics 巻: 2021 号: 01 ページ: 057-057
  • DOI: 10.1088/1475-7516/2021/01/057
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Status of the development of NUV SiPMs for INFN optical modules for the SCT medium sized telescope proposed for the CTA observatory (2020)
  • 著者名/発表者名: Adams C. et al.
  • 雑誌名: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment 巻: 982 ページ: 164486-164486
  • DOI: 10.1016/j.nima.2020.164486
  • 査読あり
• [雑誌論文] Using Muon Rings for the Calibration of the Cherenkov Telescope Array: A Systematic Review of the Method and Its Potential Accuracy (2019)
  • 著者名/発表者名: M. Gaug, S. Fegan, A. M. W. Mitchell, M. C. Maccarone, T. Mineo, and A. Okumura
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 243 号: 1 ページ: 11-11
  • DOI: 10.3847/1538-4365/ab2123
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Characterization of SiPM Optical Crosstalk and Its Dependence on the Protection-Window Thickness (2019)
  • 著者名/発表者名: Yuki Nakamura, Akira Okumura, Hiroyasu Tajima, Nobuhito Yamane, and Anatolii Zenin
  • 雑誌名: JPS Conference Proceedings 巻: 27 ページ: 011003-011003
  • DOI: 10.7566/jpscp.27.011003
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Development of a UV-Transparent Lens Array for Enlarging the Effective Area of Multichannel SiPMs (2019)
  • 著者名/発表者名: Akira Okumura, Akira Asano, Kazuhiro Furuta, Naoya Hidaka, Yuki Nakamura, Hiroyasu Tajima, and Anatolii Zenin
  • 雑誌名: JPS Conference Proceedings 巻: 27 ページ: 011009-011009
  • DOI: 10.7566/jpscp.27.011009
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Monte Carlo studies for the optimisation of the Cherenkov Telescope Array layout (2019)
  • 著者名/発表者名: Acharyya A. et la.
  • 雑誌名: Astroparticle Physics 巻: 111 ページ: 35-53
  • DOI: 10.1016/j.astropartphys.2019.04.001
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] CTA 報告 225 : 小口径望遠鏡用 64 チャ ンネル SiPM の暗電流の安定性試験 (2) (2024)
  • 著者名/発表者名: 河原崎琉
  • 学会等名: 日本物理学会2024年春季大会
• [学会発表] CTA 報告 215:小口径望遠鏡の開発状況 (2023)
  • 著者名/発表者名: 奥村曉
  • 学会等名: 日本物理学会第78回年次大会
• [学会発表] CTA報告 216:小口径望遠鏡用64チャンネルSiPMの暗電流の安定性試験 (2023)
  • 著者名/発表者名: 河原崎琉
  • 学会等名: 日本物理学会第78回年次大会
• [学会発表] CTA 報告 217: 最尤法を用いたCTA小口径望遠鏡の角度分解能の向上の検証 (2023)
  • 著者名/発表者名: バンソンヒョン
  • 学会等名: 日本物理学会第78回年次大会
• [学会発表] CTA 小口径望遠鏡の開発状況 (2023)
  • 著者名/発表者名: 奥村曉
  • 学会等名: 日本天文学会2023年秋季年会
• [学会発表] Evaluation of the effective mirror area of CTA Small-Sized Telescopes for camera design and Monte Carlo simulation (2023)
  • 著者名/発表者名: Akira Okumura
  • 学会等名: The 38th International Cosmic Ray Conference
  • 国際学会
• [学会発表] Development of a blue-mirror multilayer coating on light concentrators for future SiPM cameras (2023)
  • 著者名/発表者名: Akira Okumura
  • 学会等名: The 38th International Cosmic Ray Conference
  • 国際学会
• [学会発表] Study on the gain and photon detection efficiency drops of silicon photomultipliers under bright background conditions (2023)
  • 著者名/発表者名: Akira Okumura
  • 学会等名: The 38th International Cosmic Ray Conference
  • 国際学会
• [学会発表] CTA 報告 197: CTA大・中口径望遠鏡のカメラのSiPM化に向けた、集光器を用いた夜光低減手法の検討（２） (2022)
  • 著者名/発表者名: 芳賀純也、田島宏康、奥村曉、古田和浩
  • 学会等名: 日本物理学会第77回年次大会
• [学会発表] CTA 報告 198: 月光観測の背景光環境における小口径望遠鏡用SiPMの性能評価 (2022)
  • 著者名/発表者名: 若園香緒里、田島宏康、奥村曉、古田和浩
  • 学会等名: 日本物理学会第77回年次大会
• [学会発表] ROBAST 3 (2021)
  • 著者名/発表者名: Akira Okumura
  • 学会等名: 37th International Cosmic Ray Conference
  • 国際学会
• [学会発表] Detailed Studies of SiPM Delayed Optical Crosstalk (2021)
  • 著者名/発表者名: 田島宏康、奥村曉、古田和浩
  • 学会等名: KEK Photosensor/Scintillator Workshop
• [学会発表] 光線追跡シミュレーションへの多層膜フィルターの導入と SiPM での応用 (2021)
  • 著者名/発表者名: 奥村曉
  • 学会等名: KEK Photosensor/Scintillator Workshop
• [学会発表] CTA報告171: 小口径望遠鏡用SiPMの光検出効率の入射角度依存性 (2020)
  • 著者名/発表者名: 奥村曉
  • 学会等名: 日本物理学会 2020年秋季大会
• [学会発表] CTA報告180: 小口径望遠鏡の保護ガラスによるSiPMオプティカルクロストークの実測とシミュレーションによる評価 (2020)
  • 著者名/発表者名: 黒田裕介
  • 学会等名: 日本物理学会 2020年秋季大会
• [学会発表] CTA報告181: 大・中口径望遠鏡カメラSiPM化に向けた、集光器への多層膜蒸着による夜光低減の検討a (2020)
  • 著者名/発表者名: 芳賀純也
  • 学会等名: 日本物理学会 2020年秋季大会
• [学会発表] SiPMのクロストーク特性 (2020)
  • 著者名/発表者名: 田島宏康
  • 学会等名: 日本物理学会 2020年秋季大会
• [学会発表] Schwarzschild-Couder型のCTA 小・中口径望遠鏡の開発状況 (2020)
  • 著者名/発表者名: 奥村曉
  • 学会等名: 日本天文学会 2020年秋季年会
• [学会発表] CTA報告164:小口径望遠鏡用SiPMの光検出効率の入射角度依存性 (2020)
  • 著者名/発表者名: 奥村曉
  • 学会等名: 日本物理学会第75回年次大会
• [学会発表] SiPM保護膜のクロストーク低減への影響 (2020)
  • 著者名/発表者名: 田島宏康
  • 学会等名: 日本物理学会第75回年次大会
• [学会発表] SiPM光検出効率の入射角度依存性の評価 (2019)
  • 著者名/発表者名: 黒田裕介
  • 学会等名: 日本物理学会2019年秋季大会
• [学会発表] Evaluation of a multi-channel silicon photomultiplier with a light concentrator for Medium-Sized Telescopes of Cherenkov Telescope Array (2019)
  • 著者名/発表者名: Anatolii Zenin
  • 学会等名: SiPM workshop
  • 国際学会
• [産業財産権] 特許権 (2021)
  • 発明者名: 奥村曉、西本圭司、井上知晶
  • 権利者名: 奥村曉、西本圭司、井上知晶
  • 産業財産権種類: 特許
  • 出願年月日: 2021