平成 15 年度共同利用報告 B A S J E

平成平成 1515年度共同利用報告年度共同利用報告B A S J EB A S J E

日本ーボリビア日本ーボリビア空気シャワー共同実験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（大学院生を除く共同研究者（大学院生を除く )) 愛媛大学愛媛大学 吉井（代表）吉井（代表） 東工大東工大 垣本、荻尾垣本、荻尾 名古屋大　名古屋大　 松原松原 国立天文台　国立天文台　 水本、白崎水本、白崎 理科学研究所　理科学研究所　 田島、山田、霜田田島、山田、霜田 武蔵工大　武蔵工大　 門多門多 MPIMPI 　　　　　　　　 手島手島 無所属　無所属　 豊田、金子、後藤、西、中谷　豊田、金子、後藤、西、中谷　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

　　以上　　以上 1616 名名 LaPazLaPaz 大学大学　　 A. VelardeA. Velarde 、 、 P. MirandaP. Miranda 　他　他 TorinoTorino 大学大学 O. SaavedraO. Saavedra 他他

近年の年間経費近年の年間経費

収入源収入源　　文部科学省海外特別事業費　　文部科学省海外特別事業費　　　内訳　維持運営費　　　内訳　維持運営費 275275 万円万円　　　　　　国内、国外旅費　　　　　　　国内、国外旅費　 223223 万円万円　　　　 ++ 文部科学省科学研究費文部科学省科学研究費

ChacaltayaChacaltaya 山宇宙物理学研究所山宇宙物理学研究所 西経　西経　 68°08′68°08′ 南緯　南緯　 16°21′16°21′ 標高　標高　 5200m 5200m

　　　　　　　　　　 = 550 g/cm= 550 g/cm22

　　　世界最高高度　　　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

•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

現在の研究テーマ現在の研究テーマ

一次宇宙線化学組成とエネルギースペク一次宇宙線化学組成とエネルギースペクトラムトラム

到来方向異方性到来方向異方性

30GeV30GeV 以上の以上の GRBGRB 観測準備観測準備

到着時間分布測定による AS 発達初期段階の観測

等頻度法による平均的縦方向発達の測定

D1=D0 x secθ1

D2=D0 x secθ2

同一の頻度＝同一の一次ｴﾈﾙｷﾞｰ

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

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

等頻度曲線による化学組成の検討

空気チェレンコフ光到着時間分布

Lateral dist. of Cherenkov photonsLateral dist. of Cherenkov photons

1014 eV

550g/cm2

(m)

ph

oto

ns/

m2 proton

Fe

QGSJET

reflect the mass number of primary cosmic rays available to determinate the mass

number

Nu

mb

er

of

charg

ed

p

art

icle

s

Atmospheric Depth(g/cm2)

CORSIKA CORSIKAQGSJET

Cherenkov photonsｒ ： distance from the corer’ ： r / Ｒ０ ( Ｒ０ =90m)

)'( rrr

CORSIKA code(v5.61) QGSJET model Proton, C, Fe

Simulation

CORSIKA/QGSJET simulation

Lateral dist. of Cherenkov photonsLateral dist. of Cherenkov photons

MAS array(2002)MAS array(2002)

Eight Cherenkov photon detectorsHigh energy mode ( above 1015eV)

at Mt. Chacaltayain Bolivia

BASJE

5200m a.s.l.

MAS array

Observed eventObserved event

log(Ne)=6.11.29

R0=90m

log(

phot

ons)

arb

.

mV

nslog(r)

P 0.22

C 0.45

Fe 0.33

log Ne=5.5 ～ 5.7

fitting parameter

Nu

mb

er

of

even

ts p

ar

bin

Analysis (3 species Analysis (3 species model)model)The contribution of each species was

determined by a maximum-likelihood method using - distribution for each size bin

3833835.35.3 ～～ 5.65.63273275.05.0 ～～ 5.35.3

74746.36.3 ～～ 6.66.6 1301306.16.1 ～～ 6.36.3 2932935.95.9 ～～ 6.16.1 6266265.75.7 ～～ 5.95.9 126012605.55.5 ～～ 5.75.7

eventseventslog(Ne)log(Ne)

エネルギースペクトラム

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

Vela SNR 起源の宇宙線•誕生時期　 104 年前

　→ 105 年前•距離　 500 ｐｃ

　→ 250 ｐｃ

How to detect GRBs How to detect GRBs

Measure all the arrival directions of secondary particles by ground based detector

Obtain the information of arrival directions of GRBs from a satellite

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

Search for events excess more than 5 sigma of a statistical fluctuation of the background within a short duration time

STEP 1

STEP 4

STEP 3

STEP 2

Observable primary gamma-rays at the lObservable primary gamma-rays at the level of Mt.Chacaltayaevel of Mt.Chacaltaya

Location: Mt.Chacaltaya (5200m a.s.l.), Bolivia Location: Mt.Chacaltaya (5200m a.s.l.), Bolivia Threshold Energy: Threshold Energy: 　　　　　　 　　　　　　 30GeV30GeV (1 secondary electron per 1 primary ga (1 secondary electron per 1 primary ga

mma)mma) GRBs with GRBs with z<2z<2 30GeV

Mt.Chacaltaya

DetectorDetector

4 layers 10m ×10m4 layers 10m ×10m Each layer: 4 panels 5m ×5m ×1cmEach layer: 4 panels 5m ×5m ×1cm Each panel: 125 scintillator slabs 5m ×4cm ×1cm Each panel: 125 scintillator slabs 5m ×4cm ×1cm Photons emitted by scintillators are led to multi-anode PMTs throuPhotons emitted by scintillators are led to multi-anode PMTs throu

gh WLS fibersgh WLS fibers Position determination uncertainty: 4cm ×4cmPosition determination uncertainty: 4cm ×4cm

Scintillator, WLS fiber, & PMTScintillator, WLS fiber, & PMTPlastic 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: > 3.5mPMT 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)

Angular spreads of secondary Angular spreads of secondary particlesparticles

Air 　 shower

Detector

combined

15 deg(68%)

electron & positrongamma

Angular spreads of secondary electrons ( > 20 MeV ):

8 deg (68%)Multiple scattering inside the detector:

12 deg (68%)

ElectronicsElectronics

ECL, FPGA circuitVME or PXI module

Trigger criteria: 4 fold(4 layers)Trigger Gate Width: 100nsAccidental Hit Rate: ～ 0.5%Dead Time: 2sData Size: < 20 bytes for time and hit channel ID500kB/s=1.8GB/h=43GB/dy

Detector SpecificationsDetector Specifications B.G. of secondary CRs: 25000Hz/100mB.G. of secondary CRs: 25000Hz/100m22 More than 5σ excess (duration time 30sec) 4 More than 5σ excess (duration time 30sec) 4

×10×10-5-5 photons/cm photons/cm2 2 ss Detection efficiency: 1 event/yr (> 30GeV)Detection efficiency: 1 event/yr (> 30GeV)

30GeV

　　　　　　29°

100GeV

45°Acceptance

F.O.V.4 events/yr (> 100GeV) (no cut-off)

5σ, 30sec100m2

将来計画将来計画

10101616eVeV 以上の化学組成以上の化学組成　　・等頻度法　　・等頻度法　　・空気シンチレーション光測定　　・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　　　⇒　到来方向別の化学組成、エネル

ギー　スペクトラムギー　スペクトラム 異方性のエネルギー依存性異方性のエネルギー依存性 ３３ 0GeV0GeV 以上のガンマ線バースト測定以上のガンマ線バースト測定

Shower Image

空気チェレンコフ光観測装置

観測計画観測計画

空気シャワーアレイと大気蛍光検出器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を組み合わせたハイブリッド検出器

KneeKnee よりを低いエネルギーから観測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、できるよう高地に設置（例：ボリビア、チャカルタャ山）チャカルタャ山）

縦方向発達と化学組成縦方向発達と化学組成

縦方向発達曲線の測定縦方向発達曲線の測定 最大発達深さとその他の最大発達深さとその他のパラメーターを利用したパラメーターを利用した判別解析判別解析

１イベントごとの核種の１イベントごとの核種の判別が可能になる判別が可能になる

（例）到来方向と組成の関（例）到来方向と組成の関係係

（例）

Xmax と N(300) の scatter plot

proton C

Fe

今後の検討課題今後の検討課題　シミュレーションスタディ　シミュレーションスタディ　　設置場所　　設置場所　　　　 PMTPMT サイズの適切仕様の決定サイズの適切仕様の決定　　検出効率、化学組成決定精度　　検出効率、化学組成決定精度

ｌｏｇＥ　　　３ｋｍ　　　　　　６ｋｍ

１６　　　　１３％　　　　　　　　　６．５％

１７　　　　１４％　　　　　　　　　　

１８％

予備結果

　距離３ Km

　 X ｍａｘ決定精度　 ±30 ｇ / ｃｍ２

将来計画将来計画

10101616eVeV 以上の化学組成以上の化学組成　　・等頻度法　　・等頻度法　　・空気シンチレーション光測定　　・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　　　⇒　到来方向別の化学組成、エネル

ギー　スペクトラムギー　スペクトラム 異方性のエネルギー依存性異方性のエネルギー依存性 ３３ 0GeV0GeV 以上のガンマ線バースト測定以上のガンマ線バースト測定

Data SelectionData Selection

CriteriaCriteria eventsevents

weather

Air Shower

Cherenkov photons

5.5 ～ 6.6 (R<30m)

5.0 ～ 5.3 (R<10m)

detected>4 with S/N>9

2001/Aug1 ～ Oct21 2002/June5 ～ Oct9

3093

logNe 5.3 ～ 5.6 (R<20m)

717261

<30o, ang2,siz

2<4

3110

170+190 hours (duty cycle ～ 9%)

clear night