直接チェレンコフ光の高精度撮像による宇宙線核種の精密測定

2013 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 24654061
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 佐々木 真人 東京大学, 宇宙線研究所, 准教授 (40242094)
• キーワード: 宇宙線核種 / 宇宙線起源 / 銀河内宇宙線 / 宇宙線スペクトル / 超新星 / 宇宙線伝播 / 直接チェレンコフ光 / 宇宙線加速

研究概要

10の14乗eVから10の15乗eVの1 次宇宙線が大気中で2 次粒子生成する前に放射する大気チェレンコフ光(“直接チェレンコフ光") を高精度で複眼撮像し、1 次宇宙線ごと核種を精密に測定する。地上検出のみ可能である10の14乗eV以上の1 次宇宙線核種成分の測定は宇宙線物理における積年の重大な課題であった。そのエネルギー遷移は宇宙線起源の問題にも強く関連する。現状、空気シャワー実験の核種同定の結果は互いに矛盾し、従来の測定法の困難さを示唆している。直接チェレンコフ光の発光量は粒子の電荷数Z の2 乗に比例するため、その測光は、原理的な不定性がない核種同定となる。本計画では、高分解能と正確な方向決定により、この優れた核種同定法を実証し、knee の物理起源決定を目指す。
DC 法の利点を最大化するため系統誤差を極力廃した実験とする。高解像度化による DC と EASとの分離が本研究の鍵である。まず、その性能調査のため、さらなる高解像の撮像を行う。平成 24 年度 (H24) には、広視野と高解像を両立した Ashra 望遠鏡を基に、従
来の IATC と同様の主光線軸付近の狭い視野に限って光学調整し、1 分 (=0.015度) 以下の優れた解像度を実現する撮像装置を開発した。ラボにて組み上げて試験し、良好な結果を得た。
3度に渡り短期に海外遠征し、前記のラボにて開発調整済みの撮像装置を、ハワイ島マウナロア山中腹高度3300ｍにあるAshra観測海外拠点に設置済みの格納庫付集光器の光学焦点面に装着して、光学調整、データ取得系への組み入れの後、観測試験を行った。順調にデータ取得し長期連続運転が可能であることを確認した。
長期連続観測運転を担うべき連携研究者が退職して他大学へ転出したため、特に長期観測運転が遅滞したため補助事業期間を延長した。生じた遅滞を回復すべく、研究代表者と他のAshra共同研究者が補い、計画に必要な観測と解析の実務を計画項目通りに遂行する予定である。

現在までの達成度 (区分)

3: やや遅れている

理由

本研究で用いられる集光器はAshra-1実験の１台の集光光学系であり、光学焦点面以降の読み出し部のみ、本研究用に開発した近軸高精細の自己トリガー可能な撮像センサーを用いる。Ashra-1集光器は、ハワイマウナロアにおける好天候の地の利を活かして、高い稼
働率を実現し、H25年3月までで、延べ約5600時間 以上の観測時間を蓄積し順調に稼働している。本研究にてフラットパネル型多陽極光電子増倍管を用いたトリガー判定を新たに導入し、既にAshra-1のため開発された光電撮像管を組み合わせて、本研究に特化したトリガー読み出し系が開発された。ラボ試験の結果、Ashra-1の1/10の視野である全角４度の視野に限り、近軸光学系として焦点距離を再調整することで、1分を切る解像度が得られることが確認された。
3度に渡り短期に海外遠征し、前記のラボにて開発調整済みの撮像装置を、ハワイ島マウナロア山中腹高度3300ｍにあるAshra観測海外拠点に設置済みの格納庫付集光器の光学焦点面に装着して、光学調整、データ取得系への組み入れの後、観測試験を行った。順調にデータ取得し長期連続運転が可能であることを確認した。
長期連続観測運転を担うべき連携研究者が退職して他大学へ転出したため、特に長期観測運転が遅滞したため補助事業期間を延長した。生じた遅滞を回復すべく、研究代表者と他のAshra共同研究者が補い、計画に必要な観測と解析の実務を計画項目通りに遂行する予定である。

今後の研究の推進方策

その上で、先に出版されている100-200TeV にて、H.E.S.S. の鉄流量測定 を同等の統計数で比較し、本研究の優位性を明示する。そこで、理解された系統誤差に見合う統計精度を得るよう、視野を段階的に広げて検出効率を上げる。より高いエネルギー領域での高精度の核種同定観測を試み、成分ごとのスペクトルを導出し、予想モデルと比較検定する可能性を確認する。
確認にて本DC法における宇宙線スペクトル導出の可能性が確認され次第、さらに助成金を要求して、試験観測で動作確認された改良焦点面装置の増強し設置する。観測のステレオ化とともに観測統計を10 倍(観測視野4 倍×観測時間2.5 倍) にすることで、高い統計精度を目指した長期観測を開始する。本格的なPeV 領域での核子種スペクトル決定を初めて狙うことができる。

次年度の研究費の使用計画

平成24年度末で連携研究者1名が退職して他大学へ転出したため、計画していた装置、観測、解析の実務が遅滞したことにより、未使用額が生じた。
連携研究者の退職・転出によって生じた遅滞を回復すべく、設置・観測・解析の実務を執行する予定であり、未使用額はその経費に充てる。

研究成果

• [雑誌論文] Search for PeV-EeV Tau Neutrinos and Optical Transients from Violent Objects with Ashra-1 (2014)
  • 著者名/発表者名: M.Sasaki
  • 雑誌名: Proceedings of 14th ICATPP Conference on Astroparticle,Particle,Space Physics and Detectors for Physics Applications(Villa Olmo,Como 23-27 ) 巻: 印刷中 ページ: 印刷中
  • 査読あり
• [雑誌論文] Ashra NTA: Towards Survey of Astronomical Tau Neutrino Sources (2014)
  • 著者名/発表者名: Y. Aita, T. Aoki,Y.Asaoka, H.M Motz, M. Sasaki, C. Abiko, C. Kanokohata,S.Ogawa ,H. Shibuya, T. Takada, T. Kimura, J. G. learned, S. Matsuno, S. Kuze, P. Chang, *G.W-S. Hou,Y.B. Hsiung, J-G. Shu, K. Ueno, M. Wang, P. M. Binder,J. Goldman, N. Sugiyama, Y. Watanabe, C-C. Hsu (Ashra NTA Collaboration)
  • 雑誌名: Proceedings of the 12th Asia Pacific Physics Conference of AAPPS ASEPS3 The third Asia-Europe Physics Summit 巻: 1 ページ: 0130951,0130954
  • 査読あり
• [雑誌論文] Trigger and readout system for the Ashra-1 detector (2014)
  • 著者名/発表者名: Y. Aita, T. Aoki,Y.Asaoka, Y.Moromoto,H.M Motz, M. Sasaki, C. Abiko, C. Kanokohata, *S.Ogawa ,H. Shibuya, T. Takada, T. Kimura, J. G. learned, S. Matsuno, S. Kuze, P. M. Binder,J. Goldman, N. Sugiyama, Y. Watanabe (Ashra-1 Collaboration)
  • 雑誌名: Proceedings of the 12th Asia Pacific Physics Conference of AAPPS ASEPS3 The third Asia-Europe Physics Summit 巻: 1 ページ: 0131111,0131114
  • 査読あり
• [雑誌論文] Search for PeV-EeV Tau Neutrinos and Optical Transients from Violent Objects with Ashra-1 (2014)
  • 著者名/発表者名: Y. Aita, T. Aoki,Y.Asaoka, H.M Motz,*M. Sasaki, C. Abiko, C. Kanokohata,S.Ogawa ,H. Shibuya, T. Takada, T. Kimura, J. G. learned, S. Matsuno, S. Kuze, P. M. Binder,J. Goldman, N. Sugiyama, Y. Watanabe (Ashra-1 Collaboration)
  • 雑誌名: Proceedings of 33th Intl. Cosmic Ray Conf. (Rio) 巻: 印刷中 ページ: 印刷中
• [雑誌論文] Ashra NTA: Towards Survey of Astronomical Tau Neutrino Sources (2014)
  • 著者名/発表者名: Y. Aita, T. Aoki,Y.Asaoka, H.M Motz, M. Sasaki, C. Abiko, C. Kanokohata,S.Ogawa ,H. Shibuya, T. Takada, T. Kimura, J. G. learned, S. Matsuno, S. Kuze, P. Chang, *G.W-S. Hou,Y.B. Hsiung, J-G. Shu, K. Ueno, M. Wang, P. M. Binder,J. Goldman, N. Sugiyama, Y. Watanabe, C-C. Hsu (Ashra NTA Collaboration)
  • 雑誌名: Proceedings of 33th Intl. Cosmic Ray Conf. (Rio) 巻: 印刷中 ページ: 印刷中
• [学会発表] Ashra-1全体発表 (2014)
  • 著者名/発表者名: 佐々木真人
  • 学会等名: 日本物理学会2013年年次大会
  • 発表場所: 東海大学 湘南キャンパス 〒259-1292 神奈川県平塚市北金目四丁目１番１号
  • 年月日: 20140329-20140329
• [学会発表] Search for PeV-EeV Tau Neutrinos and Optical Transients from Violent Objects with Ashra-1 (2013)
  • 著者名/発表者名: M.Sasaki
  • 学会等名: 14th ICATPP Conference on Astroparticle,Particle,Space Physics and Detectors for Physics Applications
  • 発表場所: Villa Olmo,Como,Italy
  • 年月日: 20130923-20130927
• [学会発表] Ashra-1全体報告 (2013)
  • 著者名/発表者名: 佐々木真人
  • 学会等名: 日本物理学会2013年秋季大会
  • 発表場所: 高知大学、 朝倉キャンパス、 高知市曙町二丁目5番1号
  • 年月日: 20130920-20130920
• [学会発表] Ashra NTA: Towards Survey of Astronomical Tau Neutrino Sources (2013)
  • 著者名/発表者名: Y. Aita, T. Aoki,Y.Asaoka, H.M Motz, M. Sasaki, C. Abiko, C. Kanokohata,S.Ogawa ,H. Shibuya, T. Takada, T. Kimura, J. G. learned, S. Matsuno, S. Kuze, P. Chang, *G.W-S. Hou,Y.B. Hsiung, J-G. Shu, K. Ueno, M. Wang, P. M. Binder,J. Goldman, N. Sugiyama, Y. Watanabe, C-C. Hsu (Ashra NTA Collaboration)
  • 学会等名: The 12th Asia Pacific Physics Conference of AAPPS ASEPS3 The third Asia-Europe Physics Summit
  • 発表場所: International Conference Halls, Makuhari Messe Chiba, Japan
  • 年月日: 20130715-20130715
• [学会発表] Trigger and readout system for the Ashra-1 detector (2013)
  • 著者名/発表者名: Y. Aita, T. Aoki,Y.Asaoka, Y.Moromoto,H.M Motz, M. Sasaki, C. Abiko, C. Kanokohata, *S.Ogawa ,H. Shibuya, T. Takada, T. Kimura, J. G. learned, S. Matsuno, S. Kuze, P. M. Binder,J. Goldman, N. Sugiyama, Y. Watanabe (Ashra-1 Collaboration)
  • 学会等名: The 12th Asia Pacific Physics Conference of AAPPS ASEPS3 The third Asia-Europe Physics Summit
  • 発表場所: International Conference Halls, Makuhari Messe Chiba, Japan
  • 年月日: 20130714-20130714
• [学会発表] Search for PeV-EeV Tau Neutrinos and Optical Transients from Violent Objects with Ashra-1 (2013)
  • 著者名/発表者名: Y. Aita, T. Aoki,Y.Asaoka, H.M Motz,*M. Sasaki, C. Abiko, C. Kanokohata,S.Ogawa ,H. Shibuya, T. Takada, T. Kimura, J. G. learned, S. Matsuno, S. Kuze, P. M. Binder,J. Goldman, N. Sugiyama, Y. Watanabe (Ashra-1 Collaboration)
  • 学会等名: 33th Intl. Cosmic Ray Conf.
  • 発表場所: Centro Brasileiro de Pesquisas Fisicas(CBPF)Rua Xavier Sigaud 150,Rio de Janeiro CEP 22290-180,RJ,Brazi
  • 年月日: 20130702-20130709
• [学会発表] Ashra NTA: Towards Survey of Astronomical Tau Neutrino Sources (2013)
  • 著者名/発表者名: Y. Aita, T. Aoki,Y.Asaoka, H.M Motz, M. Sasaki, C. Abiko, C. Kanokohata,S.Ogawa ,H. Shibuya, T. Takada, T. Kimura, J. G. learned, S. Matsuno, S. Kuze, P. Chang, *G.W-S. Hou,Y.B. Hsiung, J-G. Shu, K. Ueno, M. Wang, P. M. Binder,J. Goldman, N. Sugiyama, Y. Watanabe, C-C. Hsu (Ashra NTA Collaboration)
  • 学会等名: 33th Intl. Cosmic Ray Conf.
  • 発表場所: Centro Brasileiro de Pesquisas Fisicas(CBPF)Rua Xavier Sigaud 150,Rio de Janeiro CEP 22290-180,RJ,Brazi
  • 年月日: 20130702-20130709
• [備考] 東京大学宇宙線研究所
  • URL: http://www.icrr.u-tokyo.ac.jp/index.html
• [備考] Ashra
  • URL: http://www.icrr.u-tokyo.ac.jp/~ashra/
• [備考] 佐々木研究室
  • URL: http://www.icrr.u-tokyo.ac.jp/~sasakig/
• [備考] 佐々木真人ホームページ
  • URL: http://www.icrr.u-tokyo.ac.jp/~sasakim/
• [備考] 3D-RTIL
  • URL: http://www.icrr.u-tokyo.ac.jp/~a3drtil/
• [産業財産権] 撮像光学系及び撮像装置 (2014)
  • 発明者名: 佐々木真人
  • 権利者名: 佐々木真人
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 2013-70634
  • 出願年月日: 2014-03-28
  • 外国