Next-generation experiment working group Preparation consortium

Report
Next-generation experiment working group
Preparation consortium for
R&D of “The World Observatory”
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
– 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
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 )
CASE (1): Idea from the TA’s position
• [email protected] eV + [email protected] 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)
点源を探すためには.....
L*&, $B%$&#, &4B%*E-2&' , 4*#&+, " $0%+@
@
@
7 C+%$=) E, *+&+. , " (B&C%&0, *0%*#$) #%B&, *&
高エネルギー端領域に集中=寄与する源の数を制
&&<+9<%$<+1&9+#+,$/9X9D" 9*%. %&9&<+9#' . T+,9" ?91" ' ,3+1
限
-4 Mpc-3
k\
kT
源の密度=10
! +&h&^O &W' 0
GZK半径の中の源の数
6, " $0%+&D 4#. 4*&Z qg&+' . %$%
VXLGLP:K9+d9
A6 => Z9MGG97 239
e 19Z9FGGG9
VXLGLP:f 9+d9
A6 => Z9KG97 239
e 19Z9LGG9
VXLGMG:G9+d9
A6 => Z9I G97 239
e 19Z9LG9
点源が同定されるためには.....
L*&, $B%$&#, &4B%*E-2&' , 4*#&+, " $0%+@
@
@
/ , &$%+, (=%&+, " $0%+V&&m+&3&² <9+,4π
" $0%&$%+, (" E, *>&&o&4#
Ns(源の数)×Ω(分解能)
#. %*V&D %&+. , " (B&+%#&@
@
@
&&&&*"$LGV&< 9X9LP:f 9O
9LP:P
U*"$LGVW
999999999999Ue 1W
9
LP:K999999999999999ZFGGG9
LP:f 99999999999999999ZLGG9
MG:G9999999999999999999ZLG9
e 1h² 9X9F#
E +g+3S " #9) #$*+
磁場による偏向
LL "9
I :M" 9
G:f "9
LP:f
B%#%0#, $&&$%+, (" E, *V&S@
^, V&&
アレイの角度分解能を2.1°
4*0("
B%B&
として考慮に入れた
! " #$%&'( )*)#
アレイ配置間隔の最適化
7
'
E5
4
X%
B&
B%
#%
0#,
$&
+'
)
04
*8
$+, -./ -, #&%0#12+3)/ -, #
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
43-#15676898#, : ;#
DC94E 9) ,,) /9
42) 3%#$9X9L:M9N. 9
$+, -./
-, #
LGGi
9+j 3%+#3/999
k 9*" $LGV9X9Lf :f
$+, -./ -, #
<77#=> ? #)-##
12+3)/ -, #
#( -#
[email protected]#9+j
+#3/99k 9*"$LGV9X9LP:f
=> ?#)-3%
! "#$%#"&' ( )$' ( *' #*+, )- ".")
/+, ' #%&' ( )"( - )0%"#1.2)$%., )
12+3)/ -, #
645 ' (%&W; ] &&
T5 S &+04*E(() #, $&6M&
6r " ) $%&8$4B&
&
&
42) 3%#$9X9M:G9N.
大面積SDアレイ(仮称:TA-2)
! " #" $%&A() *&T]&J " 8%&)4$&+. , D %$&)$$) 2
C6 C4C
DCO4E
LGBGGG94E 19
C' $+,
e ' . T+,9" ?9+[ +#&1QU/+) ,hT%#W
DCOM
42) 3%#$9X9M:GN. 99
99999999I PBMGG9N. M9
9
DC9] 9J Y:f 9
C' $+,9] 9LI :L9
F3'
1台100万円として
%0#%建設費100億円
B&$%+" (#+
DCOM
DCO4E
99999999999999999999999999l+[ +#&1Q/,m9
*"$LGV9n9LP:f 99999999MJ Y:P9
*"$LGV9n9LP:P9999999999f F:Y9
*"$LGV9n9MG:G9999999999MJ :K9999999
Uh9V9n9J Y9V+d9999999FI F:J W
9
LGV+d
I Yf f 9Q/,
CASE (1):まとめとコメント
• Eth=1019.8eVとし、点源探査に特化
– 化学組成、シャワー構造測定は不可能ではないが
• ExposureはEUSOに引けを取らない
– 40,000km2 × 運用20年 × 100% duty
• 分解能では優れる:Δθ~2°、ΔE/E~15%
• 技術的には「枯れている」
– それが「高評価」につながるとは限らない
• TA × 60、Auger × 13、(北Auger × 2)、100億
円
CASE (2): Idea from the PAO’s position
(高機能SDアレイ)
•
•
•
•
•
•
GZKかどうかわからない
高エネルギー端での一次組成が不明
ガンマ線・ニュートリノに感度
Zの小さなシャワーだけで到来方向分布
ハドロン物理⇔e/μ分離
統計 ⇔ duty factor 100%
高機能水タンク
EASIERタイプの電波観測も(MHzかGHz)
電波観測 on SD tanks
signal [W/(m 2 Hz 25ns)]
How t o ? EASIER
! 10
-18
p
0.12
(an Auger pr ogr am)
Power t r ace
Fe
Int o
Local
DAQ
noise
0.1
0.08
0.06
0.04
4
4.5
5
5.5
6
Time
6.5
7
7.5
8
t[m s]
Int egr at ed r adio sensor
Syst em t est ed in t he MHz (40-80) and GHz (3.4-4.2) band
Fir st GHz event
2層構造水タンク複数配置
70 m2 Cherenkov detector --> Spacing 2-3 km
Full reflection and shallow
for EM part & trigger
1m40
Fast response (black top)
deep for muon counting
standard gain, 1-200 VEM
Multiple head GHz radio detector for
EM component
low gain to avoid saturation on
nearby showers 200-40000 VEM
2000ユニットを3km間隔の正三角形配置=16,000km2
2000×7×110万円=154億円
CASE (2):まとめとコメント
• 2層水タンク+電波:e/μ分離測定
– 水タンクは高価
• 110万円は安過ぎないか?
– 水タンクを本当に設置できるか?
• 特に北米に。北Augerは計画されてたけど
• 14,000台、16,000km2、154億円
– 南Augerの5倍くらい。これで十分か?
• low Zのイベントを集め、異方性・点源探査
– このSDアレイにZ弁別能力が本当にある?
– 相互作用と組成を分離できる?
CASE (3): Idea from the PAO’s position
(廉価FDアレイ)
• GZKかどうかわからない
• 高エネルギー端での一次組成が不明⇔
– Xmax測定
• 南PAOのexposureをFDで
– duty factor 10% → To cover 30,000km2
• O(10M$)
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。
2 FDアレイ
A 40000 km2 FD-array
シンプルFDと40,000km
FD望遠鏡のデザイン
Example:
 1ステーション=360°
PMTs
o station
•12 PMTs/=12360
Auger SD station:
3 PMTs, electronics
and comms, small
solar panel enough
120 stations
 120•ステーション
20 km間隔(正三角)
• 1248 PMTs total
=40,000 km2
200 km
A “small” number of stations (1600 in Auger)
 1400APMTs
“small” number of PMTs and electronics (4800 PMTs in
Auger SD)
1400×100万円=14億円
南Auger SD:4800 PMTs
1600may
ステーション
• Design
require a denser array, e.g. 10 km spacing, or
larger elevation (24 PMTs/360o station) but n. of stations and
もっと密な配置、高仰角が必要かも知れない
PMTs still affordable
(10km間隔、24 PMTs/ステーションなど)
Potentially very low cost
それでも「お手頃価格」といえるだろう
20 km
200 km
Photons at diaphragm
シミュレーション結果
トリガー:3ステーション同時
1
3
1
2
3
zenith 500
Photons at diaphragm
Photons at diaphragm
56 EeV
2
Trigger efficiency for triple detection
16
(event triggered by the three stations)
1019.4 eVで100%検出
From concept to design
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
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
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=TA type SD
広いエネルギー範囲:ankleから1021eV
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
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
Multi Pixel and Lead Barger TA-SD
鉛+シンチ
多重積層モジュール
μ/ガンマ/e分離
鉛バーガー
2層モジュール
μ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
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-EUSO PDMは
ほぼ同じチャンネル数
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
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
– [email protected]
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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