Transcript CTA計画現状とCTA-Japan活動状況

ＣＴＡ計画現状とＣＴＡ-Ｊａｐａｎ活動状況
窪 秀利（京都大学）
CTA-Japan Consortium
宇宙線研究所共同利用研究会 「マルチメッセンジャー宇宙物理学とCTA」 2011年9月29日-9月30日
Imaging Atmospheric Cherenkov Telescopes
MAGIC
Cherenkov Telescope Array
(CTA)計画
VERITAS
HESS
CANGAROO
感度
高感度・
広帯域化
E[GeV]
132 ソース
>1000個のソース検出
CTA world map



25 Countries
132 Institutes
>830 Members (220 FTEs)
CTA-Japan（2009年11月MoU締結)
 30 Institutes
 75 Members (15 FTEs) CTA全体の1割
研究総時間に占める割合をかける 望遠鏡開発・サイエンス検討で貢献
観測天体
超新星残骸
連星系
銀河団
活動銀河核
Cherenkov Telescope Array
超高エネルギー宇宙ガンマ線の研究
•宇宙線の起源
•銀河系内、系外の高エネルギー天体の研究
•赤外・可視背景放射（宇宙の星形成史）の研究
•暗黒物質対消滅からのガンマ線の探索
•相対論（量子重力理論）の高精度検証
ガンマ線バースト
狙う物理
宇宙線の起源 高エネルギー天体
宇宙論・星形成史 時空の構造
暗黒物質の探索
CTA の高い性能と広がる物理
高感度 x10
(10-14erg cm-2s-1)
高エネルギー分解能
x2 (10% @ 1TeV)
暗黒物質探索
新しい天体
源の形状
宇宙線の分布
高角度分解能 x3
(2 arcmin @1TeV)
低エネルギー閾値
x2 (20GeV)
大検出面積 x30
(3x 106m2 >1TeV)
高速回転
20 sec/180°
高 S/N x 30
>99.99%
高時間分解能 x10
(~1sec)
全天観測
運転
Scan / Monitor
遠方活動銀河核 宇宙論
宇宙線の起源
Fermi
TeV 全天マップ
未知天体・拡散成分
ガンマ線バースト 時空の構造
相対論の検証
CTA 計画-検出感度
従来より一桁高い感度
広いエネルギー領域(20 GeV～100TeV)
1000を超えるガンマ線源が
銀河系内・系外に発見されると予想される
Kifune plot
銀河面スキャンのシミュレーション（HESS and CTA）
CTA 計画ー望遠鏡・サイト
23m 口径
(LST)
望遠鏡 ４台
10GeV-1TeV
FOV:4-5度
12m 口径
(MST)
望遠鏡 23台
100GeV-10TeV
7-8度
6m 口径
(SST)
望遠鏡 32台
1TeV-100TeV
～10度
南サイトのみ
全天観測装置（南北に２ステーション）
北候補：カナリー諸島／メキシコ
南候補：ナミビア／アルゼンチン／チリ
LST MPI design (parabolic)
DESY
MST
AR
SST
Davies-Cotton
US
UK
Schwarzschild
-Couder
CTA望遠鏡配置
建設費（80 M€）一定で、大中小口径の各台数と配置を変えて計算
C案
Ｂ案
E案
1 km
低エネルギー領域重視
高エネルギー領域重視
検出感度
全エネルギー領域最適化
角度分解能
10分
0.1
1
[TeV]
10
100
0.1
1
[TeV]
10
100
1分
CTAー公開天文台
プロポーザル観測・データ公開
Guest Observer時間枠などについては議論中
CTA観測モード
Deep deep
field field
Very
~1/2 of telescopes
Monitoring
4 telescope
Monitoring
4 Telescopes
Monitoring
4 telescopes
Deep field
~1/3 of telescopes
Monitoring
1 telescope
CTA観測モード
Survey
mode
CTA Consortium組織図
Web掲載版では、組織図を削除しました。
Telescopes（口径別）
Data
Consortiumメンバーが、
一つまたは複数の
work packageに入り活動
各研究機関による開発
分担・競争
Quality
Site
Legal,
Finance
Outreach
望遠鏡
構造
鏡
光
検出器
回路
モンテカルロ
運用
CTA Consortium Website & Project Office
http://www.cta-observatory.org/
Project Office@Heidelberg
Project Committeeによる会合
Review
 Consortium Collaboration Meetingは、国を変えて、年2回開催
 さらに、各work package毎のface to face/Net会議開催
タイムスケジュール、予算


デザインスタディー 2007 – 2010（完了）
準備研究段階 2010 – 2014（進行中）←EU 5M€
成果報告書
– 詳細デザイン、プロトタイプ望遠鏡、サイト準備



建設
部分的稼働
フル稼働
2015 − 2020
2017 –
2020 − 2040
Design Concept
CTA-Consortium編
arXiv:1008.3703
ASPERA（欧） ASTRONET（欧） ESFRI（欧） Decadal Survey（米）
高い評価で推薦
• 総予算 (計算2010年): 190 MEuro〜200 億円
– 準備研究予算 〜20 Meuro
• 日本の貢献：全体の 20% (40億円）を目指す
– 準備研究予算 〜５億円
• 運営費１０億円/年（日本分担２億円/年)
LOI
CTA-Japan編
http://www.cta-observatory.jp/
CTA-Japan活動状況
CTA-Japanメンバー
計75名(うち学生17名）30研究グループ
青学大理工 馬場彩、榊直人、柴田徹、山岡和貴、山崎了、吉田篤正
茨城大理 片桐秀明、梅原克典、加賀谷美佳、黒田和典、佐々木美佳、柳田昭平、吉田龍生
宇宙研
奥村曉
東大理
中山和則
阪大理
藤田裕、當真賢二
東工大理
浅野勝晃
北里大医療衛生 村石浩
東理大理工 千葉順成
京大基研 長滝重博
徳島大総科 折戸玲子、菅原隆希
京大宇物 戸谷友則、井上芳幸、林田将明 名大KMI
松本浩典
京大物理 窪秀利、青野正裕、粟根悠介、
名大理
福井康雄、奥田武志、鳥居和史、
今野裕介、谷森達
早川貴敬、山本宏昭
近畿大理
千川道幸、周小渓
名大STE研 田島宏康、渋谷明伸、日高直哉
熊本大理
高橋慶太郎
広大理
水野恒史、深沢泰司、米谷光生
KEK素核研 井岡邦仁、大平豊、川中宣太、
格和純
郡和範、田中真伸
広大宇セ
高橋弘充
甲南大理工 山本常夏
宮崎大工
森浩二
埼玉大理
寺田幸功、小山志勇
山形大理
郡司修一、門叶冬樹、萩原亮太
東海大医
株木重人
山梨学大
内藤統也、原敏
東海大理
西嶋恭司、櫛田淳子、小谷一仁 早大理工
中森健之
東大宇宙線研 手嶋政廣(Max-Planck-Inst. fuer Phys.)、 オハイオ州大 村瀬孔大
井上進、榎本良治、大石理子、
ガンマ線、Ｘ線、超高エネルギー宇宙線、
大岡秀行、木舟正、吉越貴紀
電波、理論
CTA-Japan研究組織
物理 PHYS WG
責任者：井岡（KEK)
KEK、京大、青学、
茨城、他
CTA 計画推進責任者
手嶋政廣（東京大学・宇宙線研究所）
マネージメント
CTA Japan PI 戸谷（京都大） 2年間
⇒手嶋（東京大） 3年間
CTA Japan Co-PI 手嶋（東京大）⇒
CTA Japan Chair 柳田（茨城大）⇒
CTA Japan SBO
吉田（茨城大）
ミラー MIR WG
責任者：手嶋（東大）
東大、近畿大、甲南大
三光精衡所、他
CTA LST Prototyping
Project Coordinator
手嶋（東大）
較正 CAL WG
責任者：田島（名古屋）
茨城大、甲南大、東大、
他
望遠鏡ドライブ
スペインバルセロナ
IFAE
望遠鏡構造
ドイツミュンヘン
MPI
シミュレーション MC WG
責任者：吉越（東大）
東大、甲南大、東海大、
早大、他
光検出器 FPI WG
責任者：折戸（徳島大）
東大、茨城大、広大、
甲南、埼玉、青学、
浜松ホトニクス、他
アンプ、スロー制御
東大、徳島、京大、
茨城大、他
カメラサポート構造
フランスアネシー
LAPP
読出し回路 ELEC WG
責任者：窪（京都大）
京大、KEK、山形大、
早大、他
CTA-Japanによる計画書、Website、予算
http://www.cta-observatory.jp/
CTA-Japanによる計画書
第1版 2010年8月
総120ページ
CTAで狙うサイエンス
日本の貢献計画
パンフレット(2011年9月）
予算
現在は、科研費（基盤Ａ）、ICRR共同利用費を使用
大型予算の獲得が必須
学術会議 天文学・宇宙物理学分科会
中規模計画アンケートに対して、CRCから提出
CTA-Japanによる大口径望遠鏡プロトタイピング
日本は主にCTA-LST大口径望遠鏡に貢献
最終的には全体の20% の貢献をめざす
•大口径望遠鏡カメラ
•超高速データ読み出し回路
•高精度分割鏡
•Dual Mirror 望遠鏡読み出し回路
•ソフト：物理、シミュレーション、データ解析
日本グループによる技術開発・技術貢献
高分解能カメラ
(MAGIC)
PMT、高圧、アンプ、スロー
制御、読み出し回路
7ch 1GHz 超高速波形読み出し回路
CTA LST(23m 大口径望遠鏡)
1.5m サイズ
高精度分割鏡
大型スパッタリングチェンバー
Cr + Al + SiO2 + HfO2 による
マルチコート（長寿命、増反射）
CTA-Japanが開発したカメラクラスタ ver. 2
プリアンプ
高速波形読出し
回路
スロー制御回路
高圧回路
PMT
7本
14 cm
LST






口径23m、エネルギー閾値～20GeV
カメラ視野4.5度(0.1度/pixel)
光検出器チャンネル数 ～2500/台
カメラ直径 ～2.5m(光検出器面のみ)
cf. MAGIC 1.1m
カメラ内に読み出しエレクトロニクス
シール、温度コントロール
メンテナンス、インストールを考慮し
7本を1クラスター。
PMT間隔48mm, 前面にライトガイド。
省電力、軽量、コンパクト化要求
ver.2の実測値
電力 （トリガ構成依存）13-15 W
重量（PMT7本込）1.3 kg
光検出器の開発


ベースラインはPMT（将来的にはSiPM導入も検討）
量産能力を考慮し、浜松ホトニクス社及びElectron-Tube社が候補
Hamamatsu
R11920-100
量子効率曲線
R11920-100
～38mm
仕様、性能
•1.5インチスーパーバイアルカリ光電面
⇒量子効率 > 35%
•アフターパルス < 0.05%(> 4 p.e.)
•パルス幅 2.5～3ns(FWHM)
•時間特性 TTS <1.3ns
•寿命 > 10年
•動作ゲイン 4x104
アフターパルス確率
<0.02% @
Threshold 4 p.e.
高圧回路の開発
浜松ホトニクス社製、Cockcroft-Walton(CW)型
<25mW@ Gain 5x104
(for most PMTs)
～38mm PMT
高圧回路
プリアンプ
仕様、性能
• PCB 3枚、MAGIC-II CWをベース
• 電圧分割 300V(Zener):1:2:1:1:1:1:2:1
• +5V 電源, 消費電力 < 40mW @ Dark
• 高圧制御(モニタ) 0 ～+(-)1.5V ( 0～-1500Vに相当)
小型、低消費電力
プリアンプ、スロー制御回路開発
プリアンプ




信号増幅、アノードDC電流測定、テストパルス入力
LEE-39+ (Mini-Circuits co.)
帯域 > 4GHz, ゲイン@2GHz
消費電力 180mW
~38mm
高速、低消費電力
さらなる低消費電力ASICアンプ
も試験中
スロー制御回路






7チャンネルPMT毎の高圧制御/モニタ
PMTアノードDC電流モニタ,
温度湿度モニタ
高速テストパルス生成
Preamp Output
減衰レベル(0.5-31.5dB)調整
～14cm
電源電圧/電流モニタ,PMTチャンネル別電源ON/OFF
２個のCPLDsより制御、読み出し回路側FPGAと通信
4ns
Hamamatsu R11920-100
プリアンプ出力
高速テストパルス
2ns
待機消費電力～17mW
CTA-Japanによる高速波形読み出し回路開発
アナログメモリ
メインアンプ （波形記録～GHz） ADC ギガイーサネット 14cm
一次トリガー生成
PMT7本と接続
12層基板
電源：DC+-3.3V,+5V入力
消費電力：13W(1.9W/PMT)
60cm
FPGA（Virtex-4）
トリガー通信用
I/Oコネクタ
メインアンプ部の開発
高速・低消費電力を実現


output (mV)
DRS4の入力上限
1 p.e.
input [mV]
5cm
1.8cm

ダイナミックレンジ 3000 (1-3000 p.e.)
周波数帯域 > 300 MHz
消費電力 430 mW/ch
高ゲイン+低ゲイン＋トリガ用に分岐
帯域測定例：高ゲイン
Normalized Gain [dB]

-3dB@400MHz
5mV入力
50mV入力
波形記録アナログメモリ DRS4
0.2-2 ns
Inverter “Domino” ring chain
IN
S.Ritt (PSI)
Waveform
stored
cell
Clock
Shift Register
Out
FADC
33 MHz
“Time stretcher” GHz  MHz
高速波形サンプリングASIC (0.7～5GS/s、ユーザ可変)
1V/12bit, 8+1 ch/chip, 1024 cell/ch, カスケード可。
CTA-Japanでは、4chカスケード接続し、
4096 cell (＝1GS/sの場合、4 msの記録深さ)で使用。
低消費電力 (140mW/8ch)
MEG実験用に開発。MAGIC2他で導入。
外国グループ製トリガー生成ボードとの接続試験

基板上および背面に載せるカード

– イタリア版デジタルトリガー
（日本でも独自改造）
– ドイツ版デジタルトリガー分配ボード
– スペイン版アナログトリガーボード
統合動作試験を進めている
トリガー通信
1クラスタ(7PMT)
イタリア、スペイン版
ドイツ、スペイン版
日本グループ製読み出しボード
読み出しボードとPMT接続試験結果
イーサネット
(SiTCP)
PMTの波形データ
2GS/sサンプリング
PMT 7本同時
波形取得に成功
⇒CTA全体で最初
5ns
読み出し
ボード
count
pedestal
PMT7本 LED
ゲイン:5x104
70ns
1光電子peak
低いノイズレベルを達成し1p.e.
信号の分離に成功
信号の積分値[mV x ns]
カメラ本体と冷却系の開発


光検出器劣化防止と安定動作のためシール、温度コントロール
37クラスター(PMT 259本）によるミニカメラ
構造体デザイン、冷却系、
複数クラスター制御、トリガ試験
電子回路熱量分布
3クラスタカメラ
ヒートパイプと
水冷プレートに
よる冷却
~99 cm
クラスター量産デザインの決定
量産、プロトタイプカメラの開発
(プロトタイプ建設～2014年)
デュアルミラー望遠鏡読み出し回路開発
The TARGET Camera Module
CTA-USグループ協力
MST, SSTでデュアルミラー
(Schwarzschild-Couder)も検討
Fiber USB
FPGA
AGIS→CTA-US
TARGET
HV
1GS/s
8×8
マルチアノード
PMT
(HPK H8500)
CTA-Japanによる分割鏡の開発
LST分割鏡を三光精衡所(Telescope Array分割鏡を製作）と共同開発
COLD SLUMP法
要求仕様
•LST口径：23m
•焦点距離：27.6m(F値：1.2)
•曲率半径：56m
•形状：回転放物面型
•スポットサイズ：<2分角
•分割鏡１枚あたりのサイズ:
1.5m（六角形）
•分割鏡枚数：
1台あたり約200枚(>400m2)
南北で8台：合計1600枚
•重量：<50kg/枚
 曲率のついた鋳型の鏡の土台と
なるガラス・アルミフォームを押し付
けて曲率を映しとる製造方法
 時間とコストがかかる「削る技術」
を必要としないため、大型の鏡を比
較的安価に作ることが可能
六角形のガラス板
ガラス(3mm)
樹脂
アルミフォーム(30mm)
鋳型
曲率を付けた鋳型
分割鏡の製造-スパッタリング
Cr・Al・SiO2・HfO2・SiO2の多層膜コーティング
真空大型チャンバーの
中で鏡を往復させる
金属ターゲット
特徴・利点
・光の干渉効果による紫外領域の
反射率の向上（>93% 目標は96%）
・強固な膜による高耐候性（>10年）
95%
90
反射率
300
400
試作鏡の性能
今年度初の時点で試作した1.5m幅の試作
鏡で、既に0.04x0.1度のスポットサイズを達
成(0.03x0.03度が目標)
1.2m MST試作鏡
1.５ｍ
• 30mm 厚 Aluminum foam
曲率半径30mの鏡を試作。曲率半径の実測値
は32.7mで、30mでのスポットサイズは15mm
(10mmが要求値）。
(50 cm)2
鏡の3次元構造を
精密測定(三鷹光器)
（中国Beihai社製)
• 3mm 厚ガラス
• 焦点距離：16125mm
• PSF: 〜20mm
(目標値：10mm)
• 反射率 at 350nm：94%
• 重量： 29kg
試作鏡の劣化試験
鏡の劣化をみるための加速試験
・塩水や弱酸性水溶液に鏡を浸し劣化
の様子を観察
・反射率の測定
・コーティングが剥げた部分の面積測定
コーティングが部分的に剥げた鏡
・劣化の原因の追究
・経年変化の定量化
試作鏡を現在稼働中のH.E.S.S(ナ
ミビア)とMAGIC(カナリー諸島)に
設置し経年変化を調査中
34
4種類の鏡を候補地に設置
CTA-Japanによるモンテカルロシミュレーション
LST: Divergent pointing モード
 ガンマ線バーストのフォローアップ観測（FermiのGBMはfluenceの低いもの
では10度近い検出位置不定性がある）に対応するため、LSTで広い視野
を確保することを目的として考えられたモード
 具体的には４台のLSTの追尾位置を各々少しずつずらして視野を稼ぐ・望
遠鏡２台を１組としてそれぞれの視野を隣接させて観測する
＋
＋
＋
＋
＋
＋
LSTの視野
(解析実効直径 4.6度)
＋
＋
Divergent
pointing
LST 2台/4台運用の場合の感度検証
カット後に残ったイベントのコア位置と望遠鏡位置との関係

4-fold
E-W 2台
LSTのみを使用
した場合を検討
● 解析に使用し
た望遠鏡
○解析からはず
した望遠鏡
今後⇒
•検出感度の算出
•解析パラメータや
ずらし角の最適化
N-S 2台
Diagonal 2台
SSTに対するシャワー到来方向再構築法
SSTの外側領域
イメージ短軸に沿って測った
座標(deg)
ArrayE,SST
のみ表示
問題点：SSTの外側領域のイベントはtelescope
multiplicityが少なく、現状の解析手法では角度・エネ
ルギー分解能が顕著に低下する
解決法：Cherenkov光子のTime gradient情報を用い
た解析手法の導入によって、角度・エネルギー分解能
を改善し、有効検出面積拡大を狙う ⇒ 計算中
SSTアレイのイメージ重心位置に対するガンマ線
源位置の確率密度分布
イメージ
重心位置
大
Time gradient
小
イメージ長軸に沿って測った座標
(DISTANCE)(deg)
PHYS（物理） work packageの活動
日本グループの（現在の）中心サイエンス： AGN, GRB, SNR
PHYS（物理）
Dark Matter / Fund. Physics
EBL / Cosmology
AGNs
CR / Clusters / Starbursts
MQ / Binaries
CR / SNRs / Mol. Clouds
PWNe
Pulsars / Glob. Clusters
MW / Transients
GRBs
Surveys / Sub-arrays
Extended / Diffuse Srcs.
Intensity Interferometry
DC Light / CR composition
計３５人（2011.9.16現在）
8
2, 3 の分野のサイエンス検討
8
で日本が主導権を握るのが目標。
10
CTA general meetingでも、存在
9
感を発揮している。
2
モンテカルロ work package
20
からの各Array配置に対して、
5
CTAで可能なサイエンスを定量
3
化する作業
12
12 井上進氏がリーダー 主導権を握る
6
9
0
1
AGN/GRB/SNR以外への進出
や、新テーマの創出も検討
まとめ




CTA計画：大口径（２３ｍ）、中口径（12m）、小口径（6m）から
なる大気チェレンコフ望遠鏡群を北南サイトに設置（小口径
は南のみ）。
20GeV-100TeV領域で従来より一桁良い感度で、1000を超
えるガンマ線源が銀河系内・系外に発見されると予想。
日米欧25か国（>800名)の国際協力で、現在、準備研究段階
（2010-2014)、2015年から建設、2017年から部分観測、2020
年からフル観測を目指す。
日本グループは、2009年11月にMoU締結、現在75名(30研究
グループ）。主にCTA-LST大口径望遠鏡に貢献。大口径望
遠鏡カメラ、超高速データ読み出し回路、高精度分割鏡、
Dual Mirror 望遠鏡読み出し回路、物理、シミュレーション、
データ解析。最終的には全体の20% （40億円)の貢献を目指
す。