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テレスコープアレイ実験

平成 21 年度宇宙線研究所共同利用研究成果発表研究会. テレスコープアレイ実験. 東京大学宇宙線研究所 テレスコープアレイ実験 野中敏幸. The Telescope Array Collaboration. T. Abu-Zayyad 1 , R. Aida 2 , M. Allen 1 , T. Arai 4 , R. Azuma 3 , E. Barcikowski 1 , J.W. Belz 1 ,T. Benno 4 , D.R. Bergman 5 , S.A. Blake 1 ,

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テレスコープアレイ実験

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  1. 平成21年度宇宙線研究所共同利用研究成果発表研究会 テレスコープアレイ実験 東京大学宇宙線研究所 テレスコープアレイ実験 野中敏幸

  2. The Telescope Array Collaboration T. Abu-Zayyad1, R. Aida2, M. Allen1, T. Arai4, R. Azuma3, E. Barcikowski1, J.W. Belz1,T. Benno4, D.R. Bergman5, S.A. Blake1, O. Brusova1, R. Cady1, B.G. Cheon6,J. Chiba7, M. Chikawa4, E.J. Cho6, L.S. Cho8, W.R. Cho8, F. Cohen9,K. Doura4, C. Ebeling1, H. Fujii10, T. Fujii11, T. Fukuda3, M. Fukushima9􀀀22,D. Gorbunov12, W. Hanlon1, K. Hayashi3, Y. Hayashi11, N. Hayashida9, K. Hibino13, K. Hiyama9, K. Honda2, G. Hughes5, T. Iguchi3, D. Ikeda9, K. Ikuta2,S.J.J. Innemee5, N. Inoue14, T. Ishii2, R. Ishimori3, D. Ivanov5, S. Iwamoto2,C.C.H. Jui1, K. Kadota15, F. Kakimoto3, O. Kalashev12, T. Kanbe2, H. Kang16,K. Kasahara17, H. Kawai18, S. Kawakami11, S. Kawana14, E. Kido9, B.G. Kim19,H.B. Kim6, J.H. Kim6, J.H. Kim20, A. Kitsugi9, K. Kobayashi7, H. Koers21,Y. Kondo9, V. Kuzmin12, Y.J. Kwon8, J.H. Lim16, S.I. Lim19, S. Machida3, K. Martens22, J. Martineau1, T. Matsuda10, T. Matsuyama11, J.N. Matthews1, M. Minamino11,K. Miyata7, H. Miyauchi11, Y. Murano3, T. Nakamura23, S.W. Nam19, T. Nonaka9,S. Ogio11, M. Ohnishi9, H. Ohoka9, T. Okuda11, A. Oshima11, S. Ozawa17,I.H. Park19, D. Rodriguez1, S.Y. Roh20, G. Rubtsov12, D. Ryu20, H. Sagawa9,N. Sakurai9, L.M. Scott5, P.D. Shah1, T. Shibata9, H. Shimodaira9, B.K. Shin6,J.D. Smith1, P. Sokolsky1, T.J. Sonley1, R.W. Springer1, B.T. Stokes5, S.R. Stratton5, S. Suzuki10, Y. Takahashi9, M. Takeda9, A. Taketa9, M. Takita9, Y. Tameda3,H. Tanaka11, K. Tanaka24, M. Tanaka10, J.R. Thomas1, S.B.Thomas1, G.B. Thomson5,P. Tinyakov12􀀀21, I. Tkachev12, H. Tokuno9, T. Tomida2, R. Torii9, S. Troitsky12,Y. Tsunesada3, Y. Tsuyuguchi2, Y. Uchihori25, S. Udo13, H. Ukai2, B. Van Klaveren1,Y. Wada14, M. Wood1, T. Yamakawa9, Y. Yamakawa9, H. Yamaoka10, J. Yang19,S. Yoshida18, H. Yoshii26, Z. Zundel1 14Saitama University, Saitama, Saitama, Japan 15Tokyo City University, Setagaya-ku, Tokyo, Japan 16Pusan National University, GeumJeong-gu, Busan, Korea 17Waseda University, Advanced Research Institute for Science and Engineering, Shinjuku-ku, Tokyo, Japan 18Chiba University, Chiba, Chiba, Japan 19Ewha Womans University, Seodaaemun-gu, Seoul, Korea 20Chungnam National University, Yuseong-gu, Daejeon, Korea 21University Libre de Bruxelles, Brussels, Belgium 22University of Tokyo, Institute for the Physics and Mathematics of the Universe, Kashiwa, Chiba, Japan 23Kochi University, Kochi, Kochi, Japan 24Hiroshima City University, Hiroshima, Hiroshima, Japan 25National Institute of Radiological Science, Chiba, Chiba, Japan 26Ehime University, Matsuyama, Ehime, Japan 1University of Utah, High Energy Astrophysics Institute, Salt Lake City, Utah, USA 2University of Yamanashi, Interdisciplinary Graduate School of Medicine and Engineering, Kofu, Yamanashi, Japan 3Tokyo Institute of Technology, Meguro, Tokyo, Japan 4Kinki Unversity, Higashi Osaka, Osaka, Japan 5Rutgers University, Piscataway, USA 6Hanyang University, Seongdong-gu, Seoul, Korea 7Tokyo University of Science, Noda, Chiba, Japan 8Yonsei University, Seodaemun-gu, Seoul, Korea 9Institute for Cosmic Ray Research, University of Tokyo, Kashiwa, Chiba, Japan 10Institute of Particle and Nuclear Studies, KEK, Tsukuba, Ibaraki, Japan 11Osaka City University, Osaka, Osaka, Japan 12Institute for Nuclear Research of the Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia 13Kanagawa University, Yokohama, Kanagawa, Japan 2009年9月12日時点 H21,宇宙線研共同利用成果発表会

  3. 共同利用研究課題 今年も無事に活動することが出来ました。 ありがとうございました。 H21,宇宙線研共同利用成果発表会

  4. Outline • Telescope Array 実験 • これまでの結果 • 観測概要 • 各共同利用研究課題についての 　　進捗状況と展望 • まとめ H21,宇宙線研共同利用成果発表会

  5. テレスコープアレイ実験 Millard county, Utah, USA(39.1o N, 122.9o W) ~1400 m a.s.l. 地表検出器 (SDs) 大気蛍光望遠鏡 (FDs) シンチレーション検出器: 507台 3 m2 x 1.2cm x 2 layers 1.2 km separation, ~800km2 E > 1019 eV Stations: 3 ~35 km 間隔 Telescopes: 12 / station Station FOV: 3o– 33o x 108o Central Laser (~20 km) H21,宇宙線研共同利用成果発表会

  6. 地表検出器 Solar Panel (120w) Wireless LAN Antenna (2.4GHz) GPS Antenna Scintilator Box SD stand • 太陽電池+ バッテリー • Wireless LAN (2.4GHz) 通信 • GPS 1pps  common clock. • 50Msps FADC 記録 • シンチ : 2layer of 3m2 ×1.2cm (t) • WLF でPMTへ光を導入読み出す • PMT: 2× “ETL 9124SA” • Power Base: 2× “ETL PS1806-2” • Temperature /Humidity センサー. H21,宇宙線研共同利用成果発表会

  7. TA-FD From HiRes Middle Drum 14 cameras/station 256 PMTs/camera 5.2 m2 ~30km New FDs 256 PMTs/camera HAMAMATSU R9508 FOV~15x18deg 12 cameras/station Long Ridge (LR) Black Rock Mesa (BR) 7 6.8 m2 ~1 m2 H21,宇宙線研共同利用成果発表会

  8. 大気モニタ CLF Central Laser Facility (CLF) Steerable Nd:YAG laser 355 nm, 5 mJ Shooting every 1 hour. IR camera LIDAR LASER: 5mJ,355nm 30cm telescope

  9. MD(旧Hires) Energy vs TASD Energy ICRC 2009 2009/09 の時点での解析経過報告 Hires1 ,2 vs TA MD  Consistent MD:Hires 望遠鏡+解析 SD: S800  energy conversion 2009/09 AGASA のexposure に達するのは来春。 H21,宇宙線研共同利用成果発表会

  10. SD 異方性解析　Skymap (log E > 19.5) N.Sakurai @ICRC31 13 events Cluster candidate (Dq< 2.0o) : 0 pairs ランダム事象として期待されるcluster数: 0. ~ 0.3 H21,宇宙線研共同利用成果発表会

  11. 小型加速器　Electron Light Source ( ELS ) Air shower Linac Beam FD 100m 10km Beam Line in ELS Container Cooling Unit 90-deg Magnet Cooling Unit Container ELS Container E-Gun H21,宇宙線研共同利用成果発表会

  12. 小型加速器　Electron Light Source ( ELS ) H21,宇宙線研共同利用成果発表会

  13. 小型加速器　Electron Light Source ( ELS ) ELS現在 2009/12 -加速管　導波管の真空引き - Remote Monitor setting 　　　長距離無線ネットワーク経由で遠隔モニター 2009/01 - ユタ大でのELSの設置、運転許可申請交付。 need … (1) 放射線安全関連の書類準備 (2) そのためのGEANT4による放射線レベル計算。 ３月もしくは４月から　　　　 - クライストロン(加速管に高周波を送るもの）の交換 を行う - 真空引き、高周波、電子銃起動 - 準備整い次第　１ヶ月程で初ビーム H21,宇宙線研共同利用成果発表会

  14. 観測状況

  15. FD観測状況 BR: シーズン毎の観測時間 LR: BR: 積算時間 LR: 2009/11月BR total 2370時間LR total 2025時間 の観測時間 H21,宇宙線研共同利用成果発表会

  16. ｼｬｯﾀｰ 壁 Network camera 天候確認 FDステーション自動オペレーション 2009/05 ～ LRステーションが遠隔操作 シャッターの開閉確認 CLOSE OPEN + リミットスイッチのon-offによる確認 • For safety • 現状　緊急時の対応のため、天文薄明より1時間早く終了 • 予定　緊急時に自動で鏡を覆う幕を取付 天文薄明まで観測可能に H21,宇宙線研共同利用成果発表会

  17. SD観測状況 TA SD は3つのアレイをそれぞれの通信塔からデータ収集している。 それぞれのアレイは、通信塔の設置場所の地名で呼ばれる。 SK: Smelter Knoll /BR :Black Rock /LR: Long Ridge 主な停止理由は DAQPC　ディスクエラー 各SDのリブート、チエック 夏場は悪天候でSDの停止。 （雷を伴う夕立等が引き金） SK 1日の稼動率 利用可能なSD数 平均　稼働率　97.3%(09/05/04-) 2008 2009 LR BR 2008 2009 H21,宇宙線研共同利用成果発表会

  18. SD観測状況 • ３つのサブアレイ間の台数の差異を解消する。 • (LR領域にSDが集中していた) • 通信負荷をタワー間で分散 悪天候時　などの通信状態悪化の際の dead timeの解消。 (new boundary condition) トリガー効率の一様性の確認 Mean 15.33 RMS 4.387 SK LR:189SD(-18) SK:148SD(+38) BR:170SD(-20) 507SD Mean 14.24 RMS 3.950 LR BR アンテナ方向再調整作業 　（下平、野中　山本、櫻井） H21,宇宙線研共同利用成果発表会

  19. 不良SDの改修 計6台のSDs　が　修理された Old DET#1019 Poor contact at signal line(socket cable) Old DET#1327 Testing after Socket change Old DET#1605 Socket Old DET#1615 Poor contact at signal line(socket cable) Old DET#1702 Testing after Socket change Old DET#1715 PMT mount 観測拠点で　ミニアレイとして活用されている　修理後の６台のSD 2009/11/27 H21,宇宙線研共同利用成果発表会

  20. 大気モニター観測状況

  21. 大気モニタ：観測概要 LIDAR • レーザー後方散乱により消散係数 α (減衰長の逆数) を測定 • 2007Decから安定稼動 (2008 Dec.～2009 May　故障)‏ • 解析はルーチン化　→　データベース作成 • 暫定的に α の典型値を FD 較正値として使用 CLF • レーザー側方散乱を FD で観測 → VAOD (α の高さ方向積分値) を測定 • 定常観測を開始 (2008 Dec.~)‏ • 解析進行中 (M.C.、大気透明度)‏ IR camera • 視野内の雲面積を数値化 • 観測は半自動化 (2008 Apr.~)‏ • 解析進行中（雲の有無、雲底高度を LIDAR, CLF と比較）

  22. 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 大気モニタ：データ比較 消散計数(HiRes) ===========================　TA　LIDAR ========== HiRes ====== Extinction Coefficient at Ground ：0.034 ± 0.015 [/km] ：0.04 [/km] Horizontal Attenuation Length　 ： 29.4 ± 13.0 　[km] ：25 [km] scale height ：1.0 [km] ：1.0 [km] VAOD (3.5km above ground level) ：0.033 ± 0.012 ：0.036 ± 0.014 : 0.046 ± 0.022 (5.0km above ground level) ：0.034 ± 0.014 (10.0km above ground level) : 0.034 ± 0.015 ============================================================ Calibration factor for FD alpha by CLF‏ BR --- LR --- alpha by LIDAR‏ Median 0.034[km^-1] Average （0<α<0.1） 0.039[km^-1]　 Standard deviation 0.015[km^-1]

  23. 2.9km 2.5km Mean 0.036 3.5km 3.5km 3.6km Mean 0.034 0 0.04 0.08 0.12 大気モニタ：データ比較 VAOD値 HiRes R.Abbasi et al., Astroparticle phyｓ. 2006 CLF '08 Dec. - '09 Feb. LIDAR '07 Dec. - '09 Oct.

  24. IR カメラ 各写真はFDの１カメラ視野を カバーする（合計１２枚） １枚の写真を４分割 し雲量を 0/1で評価 その合計を スコアとして　FD視野内 の雲量を評価 雲量のスコアは両極端に分布 2007/12 ~ 2009/2

  25. 宇宙線化学組成　E>1018eV

  26. ステレオイベントでの解析例 BRM Preliminary LR Y.Tameda (TITEC)@ICRC2009 Lodz Poland H21,宇宙線研共同利用成果発表会

  27. H21,宇宙線研共同利用成果発表会

  28. シャワー解析　評価 MCイベントを再構成　 決定精度、系統誤差を評価 求まったgeometryにしたがって Cherencov photonの寄与を 計算。　 +大気の散乱を考慮して　発達曲線と データをFit Energy Xmax Cherencov 成分の例 到来方向精度 コア位置精度 天頂角　60-°で望遠鏡に向かってくるイベント Cherencov 成分 天頂角　60-°で望遠鏡を真横に横切るイベント H21,宇宙線研共同利用成果発表会

  29. 宇宙線化学組成 Xmax (MC再構成) 1019.5-20.0eV P Fe 1019.0-19.5eV P 1018.5-19.0eV Fe 1018.5-19.0eV 現在： 2007/11-2009/10までの　ステレオ実イベントを解析中 H21,宇宙線研共同利用成果発表会

  30. Hybrid Trigger (FD triggers SD array) FDからのトリガーによって、 リクエストされた時間領域にある SD側で記録されている波形>0.3mip を収集する。 データ収集時刻 FDへの光子の入射時刻と SDへの粒子入射時刻の差 SD側外部トリガ受付 FD側Event Filterの開発。 2009/12- 現地の予備SDを用いてテスト ○トリガーでのリクエストの様に 　 波形が収集出来ているか ○長期運転で不具合等の洗い出し。 Tfd - Tsd H21,宇宙線研共同利用成果発表会

  31. Hybrid Trigger (FD triggers SD array) FDからのトリガーによって、 リクエストされた時間領域にある SD側で記録されている波形>0.3mip を収集する。 データ収集時刻 FDへの光子の入射時刻と SDへの粒子入射時刻の差 SD側外部トリガ受付 FD側Event Filterの開発。 2009/12- 現地の予備SDを用いてテスト ○トリガーでのリクエストの様に 　 波形が収集出来ているか ○長期運転で不具合等の洗い出し。 Tfd - Tsd H21,宇宙線研共同利用成果発表会

  32. 可般UVレーザー製作

  33. 可般UVレーザー製作のコンセプト ⊿θ=±0.1° □ELSとUVレーザーを光源としてクロスキャリブレーションし、レーザーを移動させることでELSを移動させたのと同じ効果を得る。 クロスキャリブレーション □　目標とするポインティング精度±0.1° □　移動することで、全望遠鏡の較正 移動 H21,宇宙線研共同利用成果発表会

  34. 可般UVレーザー製作のコンセプト 実現の為にすべきこと □ELSによる、装置定数と大気蛍光発光効率の一括較正を、全ての望遠鏡に反映させ、高頻度で較正する □　セグメント鏡の方向の調整 □MEADE望遠鏡の経緯台を用いて、UVレーザーの射出角度を高精度で決定する（LIDARと同じ駆動系で制御プログラム開発済）。 　→目標とするポインティング精度は±0.1° 　（ Airshower観測でのSDPの角度決定精度は±0.5°を想定） 　→制御用プログラムはLIDERのものを使用する（テスト済み） H21,宇宙線研共同利用成果発表会

  35. MEADEの鏡筒を取り外して、レーザー等を載せる架台を新たに製作MEADEの鏡筒を取り外して、レーザー等を載せる架台を新たに製作 望遠鏡 HeNeレーザー YAGレーザー エナジーメーター H21,宇宙線研共同利用成果発表会

  36. ポインティング精度の測定 精度向上のために改良可能な点 • 基準星導入時に、望遠鏡の倍率を上げる 二つの基準星でアラインメントを調整 →他の星を視野中心に自動導入して導入誤差 （＝ポインティング精度）を測定 現段階では目標とするポインティング精度⊿θ=±0.1°を達成できていない。 測定結果 今後の課題 １．ポインティング精度の向上 ２．架台の製作 　　→　鏡筒と架台を交換して 　　　　精度の測定 H21,宇宙線研共同利用成果発表会

  37. まとめ • 観測全般： Full Operation 開始から2年間、安定に観測を継続している。 LRFDステーションが無人化され、運転の効率化が大幅に進んだ。 SD　は３つのサブアレイ間での台数の差異が解消され、悪天候時などの 　　通信状況の悪化に備えた。 • 大気モニター： 2008/12 より CLFも定常観測開始、Lidar による 　　消散計数、VAODの値はHiresのそれと矛盾しない。 CLF側でも解析が進行中である。 • 小型加速器　ELS： ELSは設置完了し、来春のビーム射出準備が進められている。 • 化学組成： FDイベントを用いた化学組成解析はMontecalroを使った分解能,系統誤差の評価が終わり、現在約２年分の実データ解析が行われている。Hybrid トリガ導入試験が現在行われており、機能の確認が進んでいる。 • 可搬UVレーザー: 移動式レーザー装置の製作が始まっており、現在ポインティング精度の向上に向けて作業中。　FDカメラを用いてELSとレーザーのクロスキャリブレーションの後、 全カメラに対してELS相当の光源として与えられる。 H21,宇宙線研共同利用成果発表会

  38. BackUpSlide H21,宇宙線研共同利用成果発表会

  39. Hybrid event(sample) Event example: Triple FD-SD hybrid(2008-05-31) MD LR SD BR H21,宇宙線研共同利用成果発表会

  40. SDシステムでのCLF レーザータイミングの測定 SD、FDで独立に同じレーザーによる イベント時刻を記録。 100nsecオーダーでの時刻較正結果 を確認する。　 CLF laser SD PMT SD electronics Human In a truck H21,宇宙線研共同利用成果発表会

  41. SD Operation Guide line( --2009/03/20). （トリガー判定） t=α<ntbl>+β α: 2.01×10-2 (msec/trig・det) β: -2.06×10-2 (msec/det) (注:この比例関係はdetector 台数によって異なる可能性が高い。したがってLRarrayに対しては確認の集計が必要) （トリガーテーブル取得） ttbl=γntbl + θ γ: 2.5×10-2(msec/trig・det) θ: 2.8～3.3(msec/det)0.1msec 刻み （テーブル取得のリトライ） t=φ<nretry> φ: 2.8×(msec/retry) ～900msec>= φnretry + Ndet{(γ+α)<ntbl>+(θ*+β)} H21,宇宙線研共同利用成果発表会

  42. ±σT TD shower axis TP r (R, T) i-th counter core shower front (R0, T0) Fit with Linsley’s formula & fluctuation Fit with AGASA formula σＴ= Time Delay Fluctuation σR = 0.15 * 1200m S800 ●S(800) Primary Energy ●Zenith attenuation by MC. H21,宇宙線研共同利用成果発表会

  43. Geometry fit functions Shower Front T_delay, T_tans: We modified the functions written in the paper by T.Hara et. al. (Proc. 18 ICRC 11 (1983) 276) LDF : S.Yoshida et al J. Phys. G 29 (1994) 651 Tdelay Shower Axis Tsigma ri Shower Plane Ttrans i-th detector Ground H21,宇宙線研共同利用成果発表会

  44. Arrival direction w/o energy cut Azimuth angle Right ascension Red: Isotropic distribution Zenith angle Declination Red curve = C* cosq * sinq Red: Isotropic distribution H21,宇宙線研共同利用成果発表会

  45. 大気モニタ:データ LIDAR CLF IR camera

  46. SKYMAP (LogE>19.5) • Equatorial coordinate Separation angle of arbitrary 2 events 1.5s fluctuation Solid line: expected value under isotropic distribution 13 events are plotted. Cluster candidate (< 2.0deg) : 0 pairs Expected # of clusters for random distribution : 0. ~ 0.3 N.Sakurai et.al H21,宇宙線研共同利用成果発表会

  47. TA-LINAC –motivation- Air shower Linac Beam FD Absolute energy calibration! 100m 10km • Uncertainties of FD (design report of TA) • Fluorescence yield 15% • Transparency of Air 11% • Telescope Calibration 10% • Reconstruction 6% More than 20% We can get integrated calibration constant except for air. End-to-end calibration! (We can connect energy deposit to FADC count directly.) H21,宇宙線研共同利用成果発表会

  48. TA-LINAC -Basic specs- 　　：F.O.V.(upper camera) 　　：F.O.V.(lower camera) vertical FD Linac horizontal 100m • Specs of TA-LINAC • Particle：e- • Energy：10, 20, 30, 40 MeV • (variable) • Pulse width：1μsec • Peak current：0.16mA • (109e-(=160pC)/pulse) • Frequency：~1Hz • Distance from FD：100m @KEK Construction : finished Beam test : finished (08/Feb/22 – 08/Dec/10 716hours) Simulated by geant4 (40MeV) H21,宇宙線研共同利用成果発表会

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