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Next-generation experiment working group

Preparation consortium for R&D of “The World Observatory” . Next-generation experiment working group. Shoichi OGIO Graduate school of Science, Osaka City University. Preparation Consortium for R&D of the World Observatory. UHECR2012 で将来計画の話をした３人で結成

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Next-generation experiment working group

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Presentation Transcript

  1. Preparation consortium forR&D of “The World Observatory” Next-generation experiment working group Shoichi OGIO Graduate school of Science, Osaka City University

  2. Preparation Consortium for R&D of the World Observatory • UHECR2012で将来計画の話をした３人で結成 • Antoine Letessier-Selvon(LPNHE CNRS/IN2P3) • Paolo Privitera(U of Chicago) • SO • （今のところ）PAO、TAとは独立、無関係 • （今のところ）地上実験を指向

  3. Ideas for the World Observatory CASE (1)：TA実験の立場から(S. Ogio) CASE (2)：PAO実験の立場から （高機能SD, A. Letessier-Selvon） CASE (3)：PAO実験の立場から （FDアレイ, P. Privitera）

  4. CASE (1): Idea from the TA’s position • Dip@1018.7 eV + Steepening@1019.6 eV • pure proton → GZK機構 • 点源・異方性が見えない →UHECR源をとにかく見つける →最高エネルギー端に感度・大面積 • 伝播距離短い=UHECR源の数を制限 • 磁場による偏向角小さい • 検出器間隔大きい（=全体のコスト低下）

  5. 点源を探すためには..... 高エネルギー端領域に集中=寄与する源の数を制限 源の密度=10-4 Mpc-3 GZK半径の中の源の数

  6. 点源が同定されるためには..... Ns（源の数）×Ω（分解能） < 4π 磁場による偏向 アレイの角度分解能を2.1°として考慮に入れた

  7. アレイ配置間隔の最適化 エネルギーしきい値が決まれば配置間隔を最適化できる

  8. 大面積SDアレイ（仮称：TA-2） １台100万円として 建設費100億円

  9. CASE (1)：まとめとコメント • Eth=1019.8eVとし、点源探査に特化 • 化学組成、シャワー構造測定は不可能ではないが • ExposureはEUSOに引けを取らない • 40,000km2 × 運用20年 × 100% duty • 分解能では優れる：Δθ~2°、ΔE/E~15% • 技術的には「枯れている」 • それが「高評価」につながるとは限らない • TA × 60、Auger × 13、（北Auger × 2）、100億円 • ニュートリノ検出が期待できない

  10. CASE (2): Idea from the PAO’s position(高機能SDアレイ） • GZKかどうかわからない • 高エネルギー端での一次組成が不明 • ガンマ線・ニュートリノに感度 • Zの小さなシャワーだけで到来方向分布 • ハドロン物理⇔e/μ分離 • 統計 ⇔ duty factor 100% 高機能水タンク EASIERタイプの電波観測も（MHzかGHz)

  11. 電波観測 on SD tanks

  12. ２層構造水タンク複数配置 2000ユニットを3km間隔の正三角形配置=16,000km2 2000×7×110万円=154億円

  13. CASE (2)：まとめとコメント • ２層水タンク+電波：e／μ分離測定 • 水タンクは高価 • 110万円は安過ぎないか？ • 水タンクを本当に設置できるか？ • 特に北米に。北Augerは計画されてたけど • 14,000台、16,000km2、154億円 • 南Augerの５倍くらい。これで十分か？ • low Zのイベントを集め、異方性・点源探査 • このSDアレイにZ弁別能力が本当にある？ • 相互作用と組成を分離できる？

  14. CASE (3): Idea from the PAO’s position(廉価FDアレイ） • GZKかどうかわからない • 高エネルギー端での一次組成が不明⇔ • Xmax測定 • 南PAOのexposureをFDで • duty factor 10% → To cover 30,000km2 • O(10M$)

  15. 新FD望遠鏡のコンセプト 440ピクセルの代わりに １ピクセル （あるいは数ピクセル） シャワー＝検出器平面とタイミングから ジオメトリを決める（地表検出器の情報があればハイブリッド） ジオメトリは誰かに決めてもらう いったんジオメトリが決まってしまえば、 チェレンコフ光の影響、大気の補正ができさえすれば、XmaxはGHフィットで決められる。

  16. シンプルFDと40,000km2 FDアレイ FD望遠鏡のデザイン • 1ステーション=360° • =12 PMTs • 120 ステーション • 20 km間隔（正三角） • =40,000 km2 • 1400 PMTs • 南Auger SD：4800 PMTs • 1600 ステーション 1400×100万円=14億円 もっと密な配置、高仰角が必要かも知れない （10km間隔、24 PMTs／ステーションなど） それでも「お手頃価格」といえるだろう

  17. シミュレーション結果 トリガー：3ステーション同時 1019.4eVで100%検出

  18. From concept to design

  19. CASE (3)：まとめとコメント • １ピクセルFDの多数配置 • 1400 PMTs、120ステーション、40,000km2、14億円 • 実現性：夜光ノイズが多すぎないか？ • Geometry再構成のために地表検出器アレイ必要 • コスト上昇？ • チェレンコフ光用PMTアレイは1つの解か？ • Xmaxの精度は十分か？ • 検討項目多数

  20. 新しい提案 • Officialでない、単なる思いつき • Consortiumのお墨付きもありません • 練られてません

  21. CASE (4): Idea by SO • 点源探査 > 1019.6eV • PAOと同規模はつまらない • 最低でもEUSO normal mode • 40,000km2で10年 • 組成のタグがついた到来方向分布⇔ FD • ハドロン物理 ⇔ FD+高機能SD • 小型軽量=TAtype SD • 広いエネルギー範囲：ankleから1021eV

  22. 高機能SD+FDアレイ AGASA TA-SD Auger 40,000 km2 SDs: 10,200 2.0km spacing FDs: 1,512 20km spacing

  23. Multi Pixel and Lead Barger TA-SD 3.0 m 2.5 m 鉛+シンチ 多重積層モジュール μ／e／ガンマ分離 鉛バーガー ２層モジュール μ分離

  24. Multi Pixel and Lead Barger TA-SD 鉛バーガー ２層モジュール μ分離 鉛+シンチ 多重積層モジュールμ／ガンマ／e分離 読み出しはMAPMTかMPPC 64ch/SD 50MSPS（TA-SD並み） 帝人 シンチレックス Hamamatsu H8500

  25. Multi Pixel Fresnel Lens FD Paolo’s original idea マルチピクセル 撮像素子 900 ch 空間分解能を上げ、S/Nも向上させる JEM-EUSOPDMは ほぼ同じチャンネル数

  26. CASE (4)：まとめとコメント • 高機能SDアレイ + FD ステーションアレイ • 40,000km2（TA×57、南Auger×13.3） • 最高エネルギーでの点源探査 • Xmaxでタグのついた到来方向分布 • 組成測定とシャワー構造測定を分離 • ハドロン物理に貢献 • 総額117億円 • 102億円 for SDアレイ＋15億円 for FDアレイ

  27. CASE (4)：まとめとコメント • TA-TALEまたは　PAO-HEAT-AMIGA とともに • 広いエネルギー範囲に感度、スケール統一 • 遠方から近傍まで • Fresnel lens、Multi Pixels • EUSOの技術がSD, FDどちらにも生きる • 現在のTA-EUSO実験@BRMは第一歩

  28. Preparation consortium の今後 • Auger／TAグループの正式組織となるか？ • EUSO、Super-EUSOとの関連 • 地上実験のみを指向しつづけるか？

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