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シミュレーション

シミュレーション. EUSO 実験における 超高エネルギー宇宙線 空気シャワーシミュレーション. 埼玉大学大学院理工学研究科 博士前期課程物理学専攻 福島　雄也. EUSO と空気シャワーのイメージ. 高度３８０ km 視野角６０度 10 20 eV の宇宙線を年間 300 事例観測 夜間観測 大気シンチレーション光と大気チェレンコフ光の紫外線領域を観測 チェレンコフマークの観測. EUSO の構造. Electronics. Focal Surface Support Structure. 4.2m. Focal Surface.

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Presentation Transcript

  1. シミュレーション EUSO実験における 超高エネルギー宇宙線 空気シャワーシミュレーション 埼玉大学大学院理工学研究科 博士前期課程物理学専攻 福島　雄也

  2. EUSOと空気シャワーのイメージ • 高度３８０km • 視野角６０度 • 1020eVの宇宙線を年間300事例観測 • 夜間観測 • 大気シンチレーション光と大気チェレンコフ光の紫外線領域を観測 • チェレンコフマークの観測

  3. EUSOの構造 Electronics Focal Surface Support Structure 4.2m Focal Surface Fresnel Lens 2 2.5m Entrance pupil Fresnel Lens 1

  4. EUSO光学系 ２枚の両面フレネルレンズを使用 →Ray Trace simulation program

  5. 焦点面検出器 マルチアノード光電子増倍管

  6. 時間・位置分解能 • EUSOの時間分解能　　　　　　　　　　　 GTU -Gate Time Unit- （833ns） → EUSO焦点面で記録される時間の基本単位 観測データはこのGTUごとの光電子数を記録する • EUSOの位置分解能 １ピクセルの地上での視野は 0.8×0.8km2(視野角0.1°) 記録される情報 時間、光電子数、カウントしたピクセル（座標）

  7. シミュレーションの目的・特徴 • 大気シンチレーション光の生成 • 大気チェレンコフ光の生成 • 地表・大気の曲率を考慮 • p～Feまでの化学組成に対応 • 光電子増倍管の量子効率を考慮（光子→光電子） • 光学系での散乱・吸収を考慮 • 焦点面座標での出力 →観測データに限りなく近づけ、そのシミュレーションデータよりEUSO実験の観測における、到来方向、エネルギーの決定精度を見積もる レイトレース プログラム

  8. シャワー発達曲線 Gaisser Hillas Formula 総電子数の計算

  9. 大気シンチレーション光の生成 1電子が１ｍ走ると海面レベルで３.75個の光子を生成 福井工大の永野氏による測定

  10. 大気チェレンコフ光の生成 1電子が1m走るときに 波長λ1～λ2間に発生する光子数 α:微細構造定数 Ｚ:荷電粒子の電荷 ｌ :荷電粒子の移動距離 ｎ:媒質の屈折率 β:ローレンツ因子 １電子が１m走るとき、波長301～450nm間に 発生するチェレンコフ光子数は29個

  11. レイリー散乱 波長より小さい微粒子による光の散乱 dxという大気の厚さを通過した光子 の変化量dNの式 →波長の4乗に反比例 XR(400)=2974g/cm2 波長400nmの光に対する大気中での平均自由行程 散乱角　∝　1+cos2θ

  12. 地表面での反射 地表での反射率：２０％ 一様乱反射 1020eVの場合 1015個のチェレンコフ光子

  13. 焦点面でのシャワーイメージ 1020eV,θ60°,photoelectron

  14. シャワー発達イメージ 1020eV,θ60° 量子効率＋レンズ通過後 EUSOに到達した光子数

  15. 事例再構築 焦点面座標と時間との関係のフィッティング 通過大気の深さと光電子数 との関係のフィッティング →エネルギーとXmaxの決定精度へ エネルギー∝光電子数

  16. 解析データ 方位角 天頂角 Xmaxでの光電子数 Xmax 100イベント、方位角は一様乱数、コアポジション(0,0) 1020eV、天頂角60° 初期入力値と再構築値との差 XmaxとXmaxでの光電子数の分布

  17. 到来方向決定精度 天頂角依存性 エネルギー依存性 到来方向の決定は宇宙線源の特定につながる 方位角 のσ 方位角 のσ 天頂角 のσ 天頂角 のσ →天頂角、エネルギーの増加とともに到来方向の決定精度は上がる

  18. エネルギー決定精度 エネルギーとXmaxでの光電子数との関係 べき 1.17

  19. Xmax決定精度 シャワーの最大発達ポイントXmaxの決定は 化学組成の決定に役立つ エネルギーとXmaxとの関係 → エネルギーの増加とともに Xmaxも深くなる

  20. チェレンコフマーク チェレンコフマークは50％ 1019eVで平均20光電子

  21. 決定精度 EUSOの光学的特性、大気チェレンコフ光の生成を含めた シミュレーションコードを作成し、実際の観測データを再現 し、シャワーの再構築を可能にした。 ☆1020eV以上、θ60°以上

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