Next-generation experiment working group

Shoichi OGIOGraduate school of Science,

Osaka City University

Preparation consortium forR&D of “The World Observatory”

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

• 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）

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

点源が同定されるためには .....Ns （源の数） ×Ω （分解能） < 4π

アレイの角度分解能を 2.1°として考慮に入れた

磁場による偏向

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

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

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

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

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

２層構造水タンク複数配置

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。

シンプル FD と 40,000km2 FD アレイ 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

FD 望遠鏡のデザイン

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

シミュレーション結果トリガー： 3 ステーション同時

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

Auger

AGASA

TA-SD

40,000 km2

SDs: 10,200 2.0km spacingFDs: 1,512 20km spacing

Multi Pixel and Lead Barger TA-SD 3.0 m

2.5 m

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 ／ e ／ガンマ分離

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 MPPC64ch/SD50MSPS （ TA-SD並み）

HamamatsuH8500

帝人シンチレックス

Multi Pixel Fresnel Lens FDPaolo’s original idea マルチピクセル撮像素子

900 ch

JEM-EUSO PDM はほぼ同じチャンネル数

空間分解能を上げ、 S/N も向上させる

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–現在の TA-EUSO 実験 @BRM は第一歩

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？