相互作用と化学組成の測定に向けて：Auger 観測所による空気シャワー観測から

甲南大学・山本常夏

1. 　装置と観測2. 　陽子 -- 空気分子の散乱断面積3. 　電磁成分とミューオン成分の測定4. 　今後の拡張計画

KNEE

２ ndKNEE??

ANKLEGZK

宇宙線のエネルギースペクトラム

•　宇宙線のエネルギー測定は不定性が大きい•　化学組成と相互作用がわからない

….. …..Parton distribution fragmentation

diffraction

model

microscopic parameters

cross section multiplicity elasticity ……..

macroscopic parameters

X1first interaction

XmaxShower maximum

Primary particle

Shower startup

Shower cascade

X1 や shower startup 　の段階は直接観測できない

観測できるのはXmax : シャワー最大発達の大気厚さNe, Nμ : 地上での電子やミューオンの数

南 Auger 観測所• アルゼンチンの草原に約 50 億

円で建設された世界最大の宇宙線観測装置

• 1600 個の粒子検出器、 4 ヶ所24 台の大気蛍光望遠鏡

• 3000km² の検出面積• 17 ヶ国による国際協力

•　大気蛍光法と空気シャワーアレイを使った Hybrid 観測•　今年の夏に北 Auger 観測所の提案を行い、 2010 年の建設開始を目指す。•　北 Auger サイトでは通信塔のテストが始まった。

Measure UHECR with Unprecedented Precision and Accuracy

天頂方向からくる空気シャワーは　電磁カスケードが主成分で　

① コンパクトなイメージ　②急な横方向分布　③ 厚いシャワーデスク　④曲率の大きいシャワーフロント

などの特徴がある

横方向からくる空気シャワーは　ミューオンが主成分で　

① 長く大きなイメージ　②フラットな横方向分布　③ 薄いシャワーデスク　④平らなシャワーフロント　

などの特徴がある

天頂角 13 度シャワー　ディスクが厚い

天頂角　 76 度シャワーディスクが薄い

シャワー軸近くは電磁成分がほとんど

シャワー軸から離れるとミューオンがほとんど

905g

980g

1300g

1650g

2800g

17000g

大気蛍光望遠鏡で観測されたシャワー縦方向発達

MC シミュレーション地上検出器観測データ

シャワー面時間構造

粒子数横分布

gamma

muon

electron

(simulation)

gamma

muon

electron

Auger の地表検出器で測定される信号の大きさ

Elongation Rate原子核起源？？？

シミュレーションに強く依存！！

上空

地上

Xmax: 相互作用モデルに依存

First interaction point:散乱断面積に依存

15 16 17 18 19 (log(eV))light ----> heavy ---> light ------- heavy??銀河系内　　　　　　　　　　　　　

銀河系外

Xmax の分布から P-Air の crossection 推定HiRes 　の結果

18.5 乗 eV 付近と 19.5乗 eV 付近で何かが変化している。フラックスかもしれないし、化学組成かもしれないし、相互作用かもしれないし、散乱断面積かもしれない。

Constant Intensity Cut Method等天頂角方

天頂角毎にシャワーサイズ（ S1000) のスペクトラムを求め、同じフラックスのシャワーサイズを求める。

同じフラックス (Constant Intensity) のS1000 を天頂角の関数でフィットする。

このシャワーサイズの天頂角依存性（ CIC カーブ）を FD で測定したエネルギーでキャリブレートしてエネルギー変換式を求める

X1

Xmax

Primary particle

Shower startup

Shower cascade

DG : Xmax から地表までの大気厚さ

Fe-SibyllFe-QGSJetIIP-SibyllP-QGSJetII

シミュレーションから期待されるミューオンの量

地表でのミューオン量の形状にはモデルや化学組成に依存しないUniversality 　が存在

Air Shower Simulation から求めた各成分のシグナルサイズ

Real data 　の　 CIC カーブ

電磁成分の CIC カーブモデルや化学組成に依存しない

ミューオン成分の CIC カーブ絶対値はモデルや化学組成に依存するが傾きは一定

Air-Shower Simulation とデータから求めた CIC カーブを比較しミューオンの量を推定できる。さらにこの結果からエネルギーの変換式を決定できる。

ミューオン成分の絶対値を Free parameter 　として電子成分＋ミューオン成分の傾きがデータに合うようにフィットする。その結果 [ 陽子+QGSJetII] と比べてミューオンの絶対値が１．６３倍大きかった！！エネルギースケールはS1000(E=10EeV) = 37.5VEM

FD エネルギー測定から決めた値S1000(E=10EeV) = 49.2VEM

まとめ

•　 FD 観測による Xmax の測定から 18.5 乗 eV付近で何かが変化していることが示唆されている。•　 SD 観測によるミューオンの量の推定から、陽子＋ QGSJetII を仮定したシミュレーションと比べて　ミューオンの量が 1.65倍多いことが示された。•　これ以外に SD の信号の形 ( FADC trace) からミューオンの量を推定したり、 FD 観測から空気シャワーの 3D再構築などの解析が進行中。•　到来方向分布とスペクトラムを宇宙線の伝播モデルと比較し、化学組成の推定も行われている。

南 Auger サイトでや空気シャワー精密観測を目指した拡張計画が進んでいる。

広視野大気傾向望遠鏡 ＋ 高密度水タンクアレイ ＋地下ミューオンカウンタ ＋地表シンチレーションカウンタ (日本グループ担当 )

HEAT の概要

ミューオンカウンタ＋シンチレター　概要

•　 61 個の水タンクの近くに 30 ～60m² のシンチレータを埋めミューオンの数を測定する。•　さらに地上に 3m² のシンチレータを置き電磁成分を測定する。

2.5m

μ

e+e-

γ+μ