Transcript 新チベット空気シャワーアレイ

チベット高原での高エネルギー
宇宙線の研究
瀧田正人 東京大学宇宙線研究所
平成15年度共同利用成果発表会
@宇宙線研究所 20/12/2003
（For Tibet Asγcollaboration)
平成１５年度チベット実験関係の共同
利用研究採択課題一覧
１．チベット高原での高エネルギー宇宙線の研究
（瀧田正人 東京大学宇宙線研究所）
２．宇宙線による太陽の影を用いた太陽周辺磁場の時間変動の観測
（山本嘉昭 甲南大学理工学部）
３．定常的または一時的ガンマ線放射の点源及び天体の探索
（坂田通徳 甲南大学理工学部）
４．チベット空気シャワーアレイによる超新星残骸及びその他の活動的
天体からのガンマ線の探索
（水谷興平 埼玉大学理学部）
５．Knee領域一次陽子スペクトルの研究
（柴田槇雄 横浜国立大学工学研究院）
６．Knee領域一次宇宙線全粒子スペクトルの研究
（堀田直己 宇都宮大学教育学部）
７．Sidereal daily variation of ~10TeV galactic cosmic ray intensity
observed by the Tibet air shower array
(宗像一起 信州大学理学部）
チベットグループ共同利用研究
経費執行状況
校費： 申請額４９５万円 -> 配分額２２０万円
２００２年１１月に完成したTibet-IIIの安定連続運転のための
無停電電源システムの購入及びその運送費の一部に使用した。
申請書計画通り実行されている。
旅費： 申請額３６４万円 -> 配分額１６５万円
宇宙線研でのグループミーティング（２５人程度）開催/１－２ヶ月
宇宙線研での解析ミーティング/必要な時
The Tibet ASγ Collaboration
Papers (in refereed journals):
•
Multi-TeV Gamma-Ray Flares from Markarian 421 in 2000 and 2001
Observed with the Tibet Air Shower Array
Astrophysical Journal, 598, 242-249 (2003)
Proceedings:
•
28th International Cosmic Ray Conference (Tukuba, Japan 2003)
HE:
4 papers
OG:
8 papers
SH:
3 papers
The Tibet ASγ Collaboration
28th International Cosmic Ray Conference (Tukuba, Japan 2003)
- HE • Primary proton spectrum in the knee region observed by the Tibet hybrid
experiment
Vol. 1, 107 -- 110
• The energy spectrum of all-particle cosmic rays around the knee region
observed with the Tibet air-shower array
Vol. 1, 143 -- 146
• Analysis of Emulsion Chambers in Tibet Hybrid Experiment Using the Image
Scanner
Vol. 2, 753 -- 756
• An Upper Limit on Cosmic-ray antiproton/proton Flux Ratio Estimated by the
Moon's Shadow with the Tibet-III Air Shower Array
Vol.3, 1651--1654
The Tibet ASγ Collaboration
- OG -
• Search for Diffuse Gamma Rays from the Galactic Plane in Multi-TeV Region
with the Tibet Air Shower Array
Vol. 4, 2305 -- 2308
• A Wide Sky Survey for TeV γ-ray Sources by Using the Tibet-III Air Shower
Array
Vol. 4, 2315 -- 2318
•Search for VHE gamma ray emisson from SNRs with the data of Tibet ASγ III
Vol. 4, 2357 -- 2360
• Observation of Multi-TeV Gamma Rays from the Shell-like SNR GC40.5-0.5
Using the Tibet Air Shower Array
Vol. 4, 2405 -- 2408
The Tibet ASγ Collaboration
- OG -
• Observation of Multi-TeV Gamma Rays from Mrk 421 and Search for Other BL
Lac Objects with the Tibet-III Air Shower Array
Vol. 5, 2595 -- 2598
• Expected Event Rate of Subhundred-GeV Gamma Ray Bursts using the TibetIII Air Shower Array with Single Particle Counting Technique
Vol. 5, 2705
-- 2708
• Search for TeV GRBs using the Tibet-III ASγ Data
Vol. 5, 2757 -- 2760
• Performance of the Tibet-III Air Shower Array
Vol. 5, 3019 -- 3022
The Tibet ASγ Collaboration
- SH -
• Galactic anisotropy of multi-TeV cosmic-ray intensity observed by the Tibet III
air shower array
Vol. 7, 3917 -- 3920
• Galactic anisotropy of ～10TeV cosmic-ray intensity observed by the Tibet air
shower array
Vol. 7, 3961 -- 3964
• Sun Shadow in the Solar Activity Cycle 23 Observed with the Tibet Air Shower
Array
Vol. 7, 4061 -- 4064
Collaborators
The Tibet ASγ Collaboration
M. Amenomori 1 , S.Ayabe 2 , S.W. Cui 3 , Danzengluobu 4 , L.K. Ding 3 , X.H. Ding 4 , C.F. Feng 5 , Z.Y.
Feng 6 , X.Y. Gao 7 , Q.X. Geng 7 , H.W. Guo 4 , M. He 5 , K. Hibino 8 , N. Hotta 9 , H.B. Hu 3 , J. Huang 9 ,
Q. Huang 6 , H.Y.Jia 6 , F.Kajino 11 , K. Kasahara 12 , Y. Katayose 13 , K.Kawata 11 , Labaciren 4 , C.L.
Lan 3 , G.M. Le 14 , J.Y. Li 5 , H.Lu 3 , S.L. Lu 3 , X.R. Meng 4 , K. Mizutani 2 , J.Mu 7 , H. Nanjo 1 , M.
Nishizawa 15 , M. Ohnishi 10 , I. Ohta 9 , T. Ouchi 10 , S. Ozawa 9 , J.R. Ren 3 , T. Saito 16 , M. Sakata 11 ,
T. Sasaki 8 , M. Shibata 13 , A. Shiomi 10 , T. Shirai 8 , H. Sugimoto 17 , K. Taira 17 , M. Takita 10 , Y.H.
Tan 3 , N.Tateyama 8 , S. Torii 8 , H. Tsuchiya 10 , S.Udo 2 , T. Utsugi 8 , B.S. Wang 3 , H. Wang 3 , Y.G.
Wang 5 , L. Xue 5 , X.X. Zhou 6 , X.C. Yang 7 , Y. Yamamoto 11 , Z.H.Ye 14 , G.C.Yu 6 , A.F. Yuan 4 , T.
Yuda 18 , H.M. Zhang 3 , J.L. Zhang 3 , N.J. Zhang 5 , X.Y. Zhang 5 , and Zhaxisangzhu 4
1 Department of Physics, Hirosaki University, Hirosaki 036-8561, Japan
2 Department of Physics, Saitama University, Saitama 338-8570, Japan
3 Laboratory of Cosmic Ray and High Energy Astrophysics, Institute of High Energy Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100039, China
4 Department of Mathematics and Physics, Tibet University, Lhasa 850000, China
5 Department of Physics, Shangdong University, Jinan 250100, China
6 Institute of Modern Physics, South West Jiaotong University, Chengdu 610031, China
7 Department of Physics, Yunnan University, Kunming 650091, China
8 Faculty of Engineering, Kanagawa University, Yokohama 221-8686, Japan
9 Faculty of Education, Utsunomiya University, Utsunomiya 321-8505, Japan
10 Institute for Cosmic Ray Research, University of Tokyo, Kashiwa 277-8582, Japan
11 Department of Physics, Konan University, Kobe 658-8501, Japan
12 Faculty of Systems Engineering, Shibaura Institute of Technology, Saitama 330-8570, Japan
13 Faculty of Engineering, Yokohama National University, Yokohama 240-8501, Japan
14 Center of Space Science and Application Research, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100080, China
15 National Institute for Informatics, Tokyo 101-8430, Japan
16 Tokyo Metropolitan College of Aeronautical Engineering, Tokyo 116-0003, Japan
17 Shonan Institute of Technology, Fujisawa 251-8511, Japan
18 Solar-Terrestrial Environment Laboratory, Nagoya University, Nagoya 464-8601, Japan
Our site : Tibet
Yangbajing , Tibet, China
90゜53E, 30゜11N, 4,300 m a.s.l. (606g/cm2)
研究目的
大気チェレンコフ望遠鏡と相補的な
広視野（約２sr）連続観測高エネルギー宇宙線望遠鏡
3～100TeVの高エネルギーガンマ線放射天体の
探索、1014 ～1017の一次宇宙線の観測から、
宇宙線の起源、加速機構の研究を行う。
太陽活動期における“太陽の影”
（太陽による宇宙線の遮蔽効果）を観測し、
太陽近傍および惑星間磁場の大局的構造を知る。
Photo Gallery
ポタラ宮殿
チベット仏教の聖地
納木湖
（ナムツォ）
チベット最大級の湖
琵琶湖の３倍！！
Tibet-I to Tibet-II/HD
Number of detector
I : 45
II : 185
HD: 109
Mode Energy
I : 10 TeV
II : 10 TeV
HD: 3 TeV
Area
I : 7 ,650 m2
II : 37,000 m2
HD: 5,200 m2
Tibet III (22000m2)
Yangbajing (4300a.s.l.=606g/cm2), Tibet, China
Tibet III (22000m2)
Total 545 detectors
Mode Energy
~ 3 TeV
Angular Resolution
~ 0.9 deg@3TeV
Trigger Rate
~680 Hz
Data size
~20GB/day
Operation
1999 October2002 September
Tibet III (37000m2)
Yangbajing (4300a.s.l.=606g/cm2), Tibet, China
Tibet-III (37000m2)
Total 733 detectors
Mode Energy
~3 TeV
Angular Resolution
~0.9 deg @3TeV
Trigger Rate
~1500 Hz
Operation
November 2002 ~
検出方法
宇宙線
シンチレーション光
空気シャワー
イベントマップ
粒子数分布
到来時間分布
性能評価
月の影
地球に到来する宇宙線は
月によって遮蔽されるため、
ある程度の角度分解能を
備えた装置で観測すると
その方向に“へこみ”がみられる。
ほとんどの宇宙線は陽子などの
荷電粒子のため、地磁気の影響を
受け曲がるため“へこみ”は実際の
月の方向からは“ずれ”て観測される。
この“へこみ”と“ずれ”から
装置の性能評価が可能になる。
How to point? (Ａｉｒｓｈｏｗｅｒ detector)
Moon’s shadow in Cosmic Rays
North-South Displacement
(geomagnetic field free):
Pointing Accuracy <0.02deg
(Tibet)
等天頂角法と等赤緯補正
Zenith
6.8°＜天頂角<40.0°
On-source
Off-source
North Pole
Dummy-Off
Dummy-On
0.1°刻み ２,１６０,０００（３,６００ｘ６００）点
仮定: 同一軌道（同一赤緯）のデータは同一の
方位角方向のトリガーの異方性を受ける
Mrk421
北天探査（最頻エネルギー約２TeV）
Tibet-HD (555.9
days)
Crab
0.1°刻み ２,１６０,０００（３６００ｘ６００）点
Crab
Ｄｅｃ．
Ｒ．Ａ．
Tibet-III (456.8 days)
HD + III
Crab
Mrk421
全方向のSignificance 分布
(最頻エネルギー 2～３TeV)
WITH Crab & Mrk421
WITHOUT Crab & Mrk421
Tibet HD+III
北天TeVガンマ線 90%フラックス上限値
超過イベント数０個の場合の
90%U.L. (1.28 σ のフラックス) を
表示
2-3 TeV
Milagrito U.L.90% （2001）
Crab
AIROBICC U.L.90% （2002）
1.3-2.5Crab@15-25TeV
10-１６TeV
Tibet 5.0 σ
Whipple（１９９８）
Crab
This Work
Tibet 2.5 σ
This Work
天頂角＞6.8 度制限のため
Mrk421 X線データとTeV γデータの
長期相関
ApJ ５９８ （２００３） ２４２－２４９
TIBET
Tibet Proton: HE1.1-13 M. Shibata
How to obtain proton spectrum?
Hybrid system
BD(burst) :
(x,y) time
1st trigger
EC(γfamily) : (x,y)
AS array:
time
EC-Xray film image
AS+family matching event
Burst Size (below EC)
( ,  )
ΣEγ
( ,  )
Ne
(Simulation)
E0
(GUI Software)
Scanner
ANN
(Correlations)
family detection
Proton
identification
All Particle Energy Spectrum
Tibet Proton spectrum
Proton knee at a few 100 TeV
HE1.1-13 M.Shibata
Proton Energy Spectrum
Helium spectrum
The anisotropy at the solar time frame
• Compton - Getting effect
(Compton, A. H., Getting, I. A. 1935, Phys.
Rev. Let. 47, 817-821)
地球の公転運動によって
生じる見掛けの
宇宙線強度異方性
v
CG (t )  ( 2   ) cos(t )
c
v
( 2   )  0.05%
c
– エネルギーに依存しない
– TeV領域より下では太陽活動に邪魔
されて観測できない？
Dt
Dt
East – West method
(Nagashima,K., et.al., 1989, IL Nouvo Cim. 12C 695-749)
• 大気による効果を取り除くため
の解析方法
‒ T : “T”時における観測方向
– R(T) : T 方向の大気トップで
観測されるであろう宇宙線
頻度
– E(T), W(T) : それぞれ、T 時
に天球の東半分と西半分で
観測される空気シャワーイ
ベントの頻度
C-G effect (Nov1999 – Sep2003)
~3x1010 EV in Total
differential
Some other effects at 3.3TeV?
Integral (=C-G effect)
C-G expected:
---
NO significant background
In Anti- & Extended Sidereal Dist.
Consistent with Flat Dist.
惑星間磁場
太陽の影
宇宙線は太陽によって遮蔽される。
正電荷をもった宇宙線は
太陽磁場、惑星間磁場によって
曲げられ、観測される“へこみ”は
磁場の変動によって“移動”する。
太陽活動は１１年周期で極大期を迎え、
磁場の変動も活発になる。
この“へこみ”の“移動”を観測すること
によって、太陽磁気圏の大局的磁場構造
を知ることができる。
Sunspots # (monthly mean)
200
180
160
140
120
100
80
60
40
20
0
YEAR
2002
1999
1996
1993
1990
1987
1984
1981
1978
1975
1972
1969
1966
1963
1960
1957
1954
1951
1948
1945
1942
1939
1936
1933
1930
1927
1924
1921
1918
1915
1912
1909
1906
1903
1900
Yearly Sunspots 1900-2002
19
90
_
19 Jan
90
19 _Ju
91 l
_
19 Jan
91
19 _Ju
92 l
_
19 Jan
92
19 _Ju
93 l
_
19 Jan
93
19 _Ju
94 l
_
19 Jan
94
19 _Ju
95 l
_
19 Jan
95
19 _Ju
96 l
_J
19 an
96
19 _Ju
97 l
_
19 Jan
97
19 _Ju
98 l
_J
19 an
98
19 _Ju
99 l
_
19 Jan
99
20 _Ju
00 l
_J
20 an
00
20 _Ju
01 l
_
20 Jan
01
20 _Ju
02 l
_J
20 an
02
_J
ul
Sunspots #
Monthly Sunspots 1990-2002
250
Tibet-I
Tibet-II
200
Date
Tibet-III
Tibet-II HD
150
100
50
0
10TeV以上の宇宙線が作る太陽の影の年変化。
Tibet-III(37000m2) -Moon’s Shadow-
11σ in 41days
影の中心は
0.41±0.08deg.
西にずれる
今まではズレ
0.23deg.
だった。ずれが大
きくなったのは低
エネルギーが
増えた事による
2
Tibet-III(37000m )
～3.3σ in 41days
-Crab Nebula-
～9σ in 1 year (expected)
Physics with Tibet-III
2
(37000m )
• Primary : All particle 1016-1017 eV
(consistency with UHECR)
Modulation
• γ：
Unknown DC & AC sources
(～0.5crab/yr@5σfor DC)
Crab multi-10 TeV γ （IC or π0）
Single Counter Trigger mode
(sub100GeV GRB with GLAST)
Long-term AGN Observation
• Sun :
Solar Cycle 24
• Etc…