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平成 15 年度共同利用報告 B A S J E

平成 15 年度共同利用報告 B A S J E. 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 200 ３ .Dec. ２０ th at ICRR. 共同研究者（大学院生を除く ). 愛媛大学 吉井（代表） 東工大 垣本、荻尾 名古屋大　 松原 国立天文台　 水本、白崎 理科学研究所　 田島、山田、霜田 武蔵工大　 門多 MPI 　　　　 手島 無所属　 豊田、金子、後藤、西、中谷　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　以上 16 名 LaPaz 大学 A. Velarde 、 P. Miranda 　他

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平成 15 年度共同利用報告 B A S J E

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Presentation Transcript

  1. 平成15年度共同利用報告B A S J E 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

  2. 共同研究者（大学院生を除く) • 愛媛大学 吉井（代表） • 東工大 垣本、荻尾 • 名古屋大　 松原 • 国立天文台　 水本、白崎 • 理科学研究所　 田島、山田、霜田 • 武蔵工大　 門多 • MPI　　　　 手島 • 無所属　 豊田、金子、後藤、西、中谷　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　以上16名 • LaPaz大学A. Velarde、 P. Miranda　他 • Torino大学O. Saavedra他

  3. 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

  4. Chacaltaya山宇宙物理学研究所 • 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

  5. 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

  6. 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

  7. 到着時間分布測定によるAS発達初期段階の観測到着時間分布測定によるAS発達初期段階の観測

  8. 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

  9. 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

  10. 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

  11. 空気チェレンコフ光到着時間分布

  12. Lateral dist. of Cherenkov photons reflect the mass number of primary cosmic rays available to determinate the mass number 1014 eV proton photons/m2 Number of charged particles Fe CORSIKA CORSIKA 550g/cm2 QGSJET QGSJET (m) Atmospheric Depth(g/cm2)

  13. Lateral dist. of Cherenkov photons CORSIKA/QGSJET simulation r : Cherenkov photons ｒ ： distance from the core r’：r /Ｒ０(Ｒ０=90m) Simulation CORSIKA code(v5.61) QGSJET model Proton, C, Fe

  14. MAS array(2002) BASJE MAS array at Mt. Chacaltaya in Bolivia 5200m a.s.l. High energy mode ( above 1015eV) Eight Cherenkov photon detectors

  15. Observed event log(photons) arb. mV log(Ne)=6.1 b=1.29 R0=90m log(r) ns

  16. log(Ne) events 5.0～5.3 327 5.3～5.6 383 5.5～5.7 1260 5.7～5.9 626 5.9～6.1 293 6.1～6.3 130 6.3～6.6 74 Analysis (3 species model) The contribution of each species was determined by a maximum-likelihood method using b- distribution for each size bin log Ne=5.5～5.7 P 0.22 C 0.45 Fe 0.33 Number of events par bin fitting parameterb

  17. エネルギースペクトラム

  18. 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

  19. Vela SNR起源の宇宙線 • 誕生時期　104年前 　→105年前 • 距離　500ｐｃ 　→250ｐｃ

  20. How to detect GRBs STEP 3 STEP 1 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 Measure all the arrival directions of secondary particles by ground based detector STEP 4 STEP 2 Search for events excess more than 5 sigma of a statistical fluctuation of the background within a short duration time Obtain the information of arrival directions of GRBs from a satellite

  21. 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

  22. 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

  23. 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)

  24. Airshower Detector combined 15 deg(68%) gamma electron & positron Angular spreads of secondary particles Angular spreads of secondary electrons ( > 20 MeV ): 8 deg (68%) Multiple scattering inside the detector: 12 deg (68%)

  25. 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

  26. 5σ, 30sec 100m2 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 45° Acceptance

  27. 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

  28. Shower Image 空気チェレンコフ光観測装置

  29. 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）

  30. 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

  31. ｌｏｇＥ　　　３ｋｍ　　　　　　６ｋｍ １６　　　　１３％６．５％ １７　　　　１４％１８％ 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 Xｍａｘ決定精度　±30ｇ/ｃｍ２

  32. 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

  33. Data Selection 2001/Aug1～Oct21 2002/June5～Oct9 170+190 hours (duty cycle ～ 9%) weather 717261 clear night q<30o, cang2,csiz2<4 Air Shower 5.0～5.3 (R<10m) 3110 logNe 5.3～5.6 (R<20m) 5.5～6.6 (R<30m) Cherenkov photons detected>4 with S/N>9 3093

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