Transcript ボリビア空気シャワー共同実験(BASJE)

平成15年度共同利用報告
BASJE
日本ーボリビア
空気シャワー共同実験
東工大・理 垣本史雄
200３.Dec.２０th at ICRR
共同研究者（大学院生を除く)
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愛媛大学
東工大
名古屋大
国立天文台
理科学研究所
武蔵工大
MPI
無所属
LaPaz大学
Torino大学
吉井（代表）
垣本、荻尾
松原
水本、白崎
田島、山田、霜田
門多
手島
豊田、金子、後藤、西、中谷
以上16名
A. Velarde、 P. Miranda 他
O. Saavedra 他
近年の年間経費

収入源
文部科学省海外特別事業費
内訳 維持運営費
275万円
国内、国外旅費 223万円
+文部科学省科学研究費
Chacaltaya山宇宙物理学研究所
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

西経 68°08′
南緯 16°21′
標高 5200m
= 550 g/cm2
世界最高高度
AS最大発達付近での観測
発達初期段階の観測
銀河面の広い領域が視野
•ｴﾈﾙｷﾞｰ、到来
方向決定精度が
良い
Nmax→E0
•低いｴﾈﾙｷﾞｰ宇
宙線の観測が可
能
•縦方向発達
⇒化学組成、高
エネルギー原子
核相互作用
現在の研究テーマ

一次宇宙線化学組成とエネルギースペクトラ
ム

到来方向異方性

30GeV以上のGRB観測準備
到着時間分布測定によるAS発達初期段階の観測
等頻度法による平均的縦方向発達の測定
同一の頻度＝同一の一次ｴﾈﾙｷﾞｰ
D1=D0 x secθ1
D2=D0 x secθ2
1993年～現在 Knee領域宇宙線化学組成の研究
等頻度法
← ２成分モデル
空気チェレンコフ光
・到着時間分布
← ５成分モデル
・横方向分布
← ３成分モデル
Ｅ＞6 ＴｅＶ
等頻度曲線による化学組成の検討
計算：一次宇宙
線は陽子と鉄の
混合と仮定
→Least χ2法で
混合比を決定
空気チェレンコフ光到着時間分布
Lateral dist. of Cherenkov photons
reflect the mass number of primary cosmic rays
available to determinate the mass number
proton
1014 eV
Fe
CORSIKA
QGSJET
550g/cm2
CORSIKA
QGSJET
(m)
Lateral dist. of Cherenkov photons
r r     r

(


r
'
)

r : Cherenkov photons
ｒ ： distance from the core
r’ ：r /Ｒ０
(Ｒ０ =90m)
Simulation
CORSIKA code(v5.61)
QGSJET model
Proton, C, Fe

CORSIKA/QGSJET simulation
MAS array(2002)
BASJE
MAS array
at Mt. Chacaltaya
in Bolivia
5200m a.s.l.
High energy mode ( above 1015eV)
Eight Cherenkov photon detectors
Observed event
log(Ne)=6.1
1.29
R0=90m
Analysis (3 species model)
log(Ne)
5.0～5.3
5.3～5.6
5.5～5.7
5.7～5.9
5.9～6.1
6.1～6.3
6.3～6.6
events
327
383
1260
626
293
130
74
Number of events par bin
The contribution of each species was determined
by a maximum-likelihood method using
- distribution for each size bin
log Ne=5.5～5.7
P 0.22
C 0.45
Fe 0.33
fitting parameter 
エネルギースペクトラム
到来方向異方性の結果
ミューレスシャワーでも同じ結果
Vela SNR起源の宇宙線
•誕生時期 104年前
→105年前
•距離 500ｐｃ
→250ｐｃ
How to detect GRBs
STEP 1
Measure all the arrival directions
of secondary particles by ground
based detector
STEP 2
Obtain the information of arrival
directions of GRBs from a satellite
STEP 3
In the off-line analysis,
choose the event on the on-source region (cone)
around a GRB direction considering the angular
spreads of secondary particles
STEP 4
Search for events excess more than 5 sigma of a
statistical fluctuation of the background within a
short duration time
Observable primary gamma-rays at the
level of Mt.Chacaltaya



Location: Mt.Chacaltaya (5200m a.s.l.), Bolivia
Threshold Energy:
30GeV (1 secondary electron per 1 primary
gamma)
GRBs with z<2
30GeV
Mt.Chacaltaya
Detector





4 layers 10m ×10m
Each layer: 4 panels 5m ×5m ×1cm
Each panel: 125 scintillator slabs 5m ×4cm ×1cm
Photons emitted by scintillators are led to multi-anode PMTs
through WLS fibers
Position determination uncertainty: 4cm ×4cm
Scintillator, WLS fiber, & PMT
Plastic scintillator
Material: polymethylmethacrylate (PMMA)
Material of absorber: polystyrene + TiO2(10%)
emission peak[nm]: 430
WLS fiber (Kuraray Y11)
diameter: 1.5mm
core: polystyrene + fluorescent dopants (n=1.5)
clad: acrylic plastic (n=1.49)
emission peak: 476nm
decay time: 12ns
attenuation length: > 3.5m
PMT
HAMAMATSU H7546
8×8 multi-anode, metal-channel dinode
annode size: 2×2mm2
3.0×106(@800V, max 1000V)
rise time 1.5ns, transit time <10ns
divider current: 0.5mA(@1000V)
Angular spreads of secondary particles
Angular spreads of secondary electrons
( > 20 MeV ):
8 deg (68%)
Multiple scattering inside the detector:
12 deg (68%)
Air shower
Detector
combined
15 deg(68%)
gamma
electron & positron
Electronics
Trigger criteria: 4 fold(4 layers)
Trigger Gate Width: 100ns
Accidental Hit Rate: ～0.5%
Dead Time: 2ms
Data Size: < 20 bytes for time and hit channel ID
500kB/s=1.8GB/h=43GB/dy
ECL, FPGA circuit
VME or PXI module
Detector Specifications



B.G. of secondary CRs: 25000Hz/100m2
More than 5σ excess (duration time 30sec) 4
×10-5 photons/cm2 s
Detection efficiency: 1 event/yr (> 30GeV)
F.O.V.
4 events/yr (> 100GeV)
(no cut-off)
30GeV
29°
100GeV
5σ, 30sec
100m2
45°
Acceptance
将来計画



1016eV以上の化学組成
・等頻度法
・空気シンチレーション光測定
⇒ 到来方向別の化学組成、エネルギー
スペクトラム
異方性のエネルギー依存性
３0GeV以上のガンマ線バースト測定
空気チェレンコフ光
観測装置
Shower Image
観測計画


空気シャワーアレイと大気蛍光検出器を
組み合わせたハイブリッド検出器
Kneeよりを低いエネルギーから観測で
きるよう高地に設置（例：ボリビア、チャカ
ルタャ山）
縦方向発達と化学組成
縦方向発達曲線の測定
 最大発達深さとその他の
パラメーターを利用した判
別解析
 １イベントごとの核種の判
別が可能になる
（例）到来方向と組成の関係

proton
C
Fe
（例）
XmaxとN(300)のscatter plot
今後の検討課題
シミュレーションスタディ
設置場所
PMTサイズの適切仕様の決定
検出効率、化学組成決定精度
予備結果
距離３Km
ｌｏｇＥ
３ｋｍ
６ｋｍ
１６
１３％
６．５％
１７
１４％
１８％
Xｍａｘ決定精度 ±30ｇ/ｃｍ２
将来計画



1016eV以上の化学組成
・等頻度法
・空気シンチレーション光測定
⇒ 到来方向別の化学組成、エネルギー
スペクトラム
異方性のエネルギー依存性
３0GeV以上のガンマ線バースト測定
Data Selection
2001/Aug1～Oct21 2002/June5～Oct9
170+190 hours (duty cycle ～ 9%)
Criteria
weather
clear night
events
717261
q<30o, cang2,csiz2<4
Air Shower
5.0～5.3 (R<10m)
logNe 5.3～5.6 (R<20m)
5.5～6.6 (R<30m)
3110
Cherenkov
photons
detected>4 with S/N>9
3093