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1 ボリビア・チャカルタヤ山宇宙線観測所における 高エネルギー γ 線・宇宙線のための 空気シャワー実験 東京大学宇宙線研究所 大 西 宗 博 平成 29 年度 東京大学宇宙線研究所 共同利用研究成果発表会 ( 東京大学柏キャンパス ) 2017 12 9 11:00-11:10

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ボリビア・チャカルタヤ山宇宙線観測所における 高エネルギーγ線・宇宙線のための

空気シャワー実験

東京大学宇宙線研究所大 西 宗 博

平成29年度 東京大学宇宙線研究所 共同利用研究成果発表会 (東京大学柏キャンパス) 2017年12月9日 11:00-11:10

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研究課題: 「ボリビア・チャカルタヤ山宇宙線観測所における 高エネルギーγ線・宇宙線観測のための空気シャワー 実験」(代表: 常定芳基)

採択額: 150万円  ・国内打ち合わせ旅費  ・ボリビアへの旅費  ・チャカルタヤ観測所運営分担金  ・ALPAQUITA準備

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活動状況★ボリビア渡航: 1回

 ・6/2 - 6/11 瀧田、田島 (理研)    実験サイト インフラ整備等打ち合わせ

★国際会議等

 ・ICRC 2017 (7/12 - 7/20, 釡山, 韓国) 2講演  ・TeVPA 2017 (8/7 - 8/11, Ohio, USA) 1講演  ・The VII School on Cosmic Rays and Astrophysics       (8/21 - 9/1, Quito, Equador) 1講演

★国内学会

 ・2017春 日本物理学会 (大阪大学) 2講演  ・2017秋 日本物理学会 (宇都宮大学) 1講演  ・2017秋 日本天文学会 (北海道大学) 1講演

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経緯• ボリビア・チャカルタヤ山宇宙線観測所(東大宇宙線研共同利用研究拠点)における空気シャワー実験:BASJE - 5200m • 2015年9月 終了  • 2015年度共同利用成果発表会において垣本史雄(東工大/当時)が最終報告

• 2015年6月 チベットおよびボリビアグループ有志による話し合い • 南天で観測する意義の再確認 • チャカルタヤ山観測所のインフラ、サンアンドレス大学とのパイプという資産 • さらにインド GRAPES グループとも連携 ̶> 海外3実験の「合流」

• ターゲット:”Sub-PeV” ガンマ線・宇宙線の広視野連続観測 • チャカルタヤ山中腹、4740m (依然として世界最高高度) • 空気シャワーアレイ 86,000m2、検出器400台 • 地下ミューオン検出器 5,400m2 • モードエネルギー:5TeV • 角度分解能:0.2° 、エネルギー分解能 30% (100TeV) • 視野:2 sr

• プロジェクト名:ALPACAに決定。    (ボリビアグループも含めて投票)

昨年度までの

83,000

: 20 - 25% (100 TeV gamma)

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東京大学宇宙線研究所将来計画検討委員会 最終報告書 (2017年10月26日)

ALPACA実験計画 委員会の評価  「南天には、銀河中心、Fermi bubble をはじめ、超新星残骸、パルサー星雲など多数の興味深い天体が存在することから、銀河系内 PeVatron の発見が期待され、100TeV領域でのガンマ線サーベイ観測を目指す本計画の科学的位置付けは非常に高い。技術的予算的にも実現可能性が高く、是非とも推進すべき研究であると評価する。 」

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The ALPACA Collaboration

IIF, UMSA, Bolivia Martin SUBIETA, Rolando TICONA, Hugo RIVERA, Mirko RALJEVICH, Pedro MIRANDA

Faculty of Education, Utsunomiya Univ., Japan Naoki HOTTA

Japan Atomic Energy Agency, Japan Harufumi TSUCHIYA

Dept. of Physics, Shinshu Univ., Japan Kazuoki MUNAKATA, Chihiro KATO, Yoshiaki NAKAMURA

ICRR, Univ. of Tokyo, Japan Masato TAKITA, Takashi SAKO, Munehiro OHNISHI, Kazumasa KAWATA

College of Industrial Technology, Nihon Univ., Japan Atsushi SHIOMI

Tokyo Metropolitan College of Industrial Tech., Japan Toshiharu SAITO

National Inst. of Informatics, Japan Masaki NISHIZAWA

RIKEN, Japan Norio TAJIMA

Faculty of Engineering, Kanagawa Univ., Japan Kinya HIBINO, Shigeharu UDO

Faculty of Engineering, Yokohama National Univ., Japan Yusaku KATAYOSE, Takanori ASABA, Mikihiro KATAOKA, Takuro SASAKI, Masaru SUZUKI, Miho WAKAMATSU

College of Engineering, Chubu Univ., Japan Akitoshi OSHIMA, Shoichi SHIBATA

Faculty of Engineering, Aichi Inst. of Tech., Japan Hiroshi KOJIMA

Graduate School of Science, Osaka City Univ., Japan Shoichi OGIO, Yoshiki TSUNESADA, Rosa MAYTA

Faculty of Engineering, Osaka Electro-Communication Univ., Japan

Yuichiro TAMEDA

Graduate School of Information Sciences, Hiroshima City Univ., Japan

Koichi TANAKA

Escuela de Ciencias Físicas y Nanotechnología, Yachay Tech, Ecuador

Takashi K. SAKO

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ALPACA Site Mt. Chacaltaya, Bolivia

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4200m

4000m

4400m

4600m

4800m

UMSA CR Observatory 5200 m a.s.l.

ALPACA site 4740 m a.s.l.

La Paz8

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Experimental Cite: Cerro Estuqueria 500 m × 500 m flat within ± 1°

4,740 m above sea level (16°23’S, 68°08’W)

2016年4月28日 撮影 9

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Schematic view of ALPACA

Image of 1 m2 plastic scintillation detector

Image of unit (56 m2) underground water Cherenkov muon detector

AS

MD

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*Based on MC simulation for the Tibet AS+MD

Sensitivity to the Point Source

CTA Review by Kubo (JPS 2015) M. Daniel, Proc. of 28th Texas Sympo. (2015)

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100

10−1

101

10

10

2

103

10

CTA

EGRET

168 159 1010

FERMI

10

Tibet AS

Milagro

−2

−2

−1

Energy (eV)101310121011101010

5 sigma or 10 events

Past

CASA−MIA

PresentFuture

[GeV] [TeV] [PeV]

HAWC

VERITAS

Crab flux

50 hours or 1 year (Wide FoV instrument)

H.E.S.S.

ALPACA

MAGIC

Inte

gral

Flu

x x

E (e

V c

m

s

)

*

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ALPAQUITAArrayintheALPACAProject- CosmicRayExperimentintheSouthernSky-

We are now proposing a new project which consists of a large air shower array (83,000 m2) anda muon detector array (5,400 m2) located at the altitude of 4,740 m near La Paz in Bolivia toobserve 100 TeV gamma rays in the southern sky. The ALPAQUITA array is a prototype airshower array which will be constructed at the ALPACA site. This array consists of 45scintillation counters of 1 m2 in area each, and its effective area is approximately 8,000 m2

(1/10 of ALPACA air shower array). In the present paper, we report on the current status andthe performance of the ALPAQUITA array.

Abstract

ALPACA Project

ALPAQUITA Array in the ALPACA Project

T. Asaba,a K. Hibino,b N. Hotta,c M. Kataoka,a Y. Katayose,a C. Kato,d K. Kawata∗,e

H. Kojima,f g R. Mayta,h P. Miranda,i K. Munakata,d Y. Nakamura,d M. Nishizawa,j

S. Ogio,h M. Ohnishi,e A. Oshima,k M. Raljevich,i H. Rivera,i T. Saito,l T. K. Sako,me

T. Sasaki,a S. Shibata,k A. Shiomi,n M. Subieta,i M. Suzuki,a N. Tajima,o M. Takita,e

Y. Tameda,p K. Tanaka,q R. Ticona,i H. Tsuchiya,r Y. Tsunesada,h S. Udob andM. Wakamatsua (The ALPACA Collaboration)

aFaculty of Engineering, Yokohama National University, JapanbFaculty of Engineering, Kanagawa University, JapancFaculty of Education, Utsunomiya University, JapandDepartment of Physics, Shinshu University, JapaneInstitute for Cosmic Ray Research, The University of Tokyo, Japanf Faculty of Engineering, Aichi Institute of Technology, JapangChubu Innovative Astronomical Observatory, JapanhGraduate School of Science, Osaka City University, JapaniInstituto de Investigaciones Físicas, Universidad Mayor de San Andrés, BoliviajNational Institute of Informatics, JapankCollege of Engineering, Chubu University, JapanlTokyo Metropolitan College of Industrial Technology, Japan

mEscuela de Ciencias Físicas y Nanotechnología, Yachay Tech, EcuadornCollege of Industrial Technology, Nihon University, JapanoRIKEN, JapanpFaculty of Engineering, Osaka Electro-Communication University, JapanqGraduate School of Information Sciences, Hiroshima City University, JapanrJapan Atomic Energy Agency, JapanE-mail: [email protected]

We are now proposing a new project which consists of a large air shower array (83,000 m2)and a muon detector array (5,400 m2) located at the altitude of 4,740 m near La Paz in Boliviato observe 100 TeV gamma rays in the southern sky. The ALPAQUITA array is a prototype airshower array which will be constructed at the ALPACA site. This array consists of 45 scintillationcounters of 1 m2 in area each, and its effective area is approximately 8,000 m2 (1/10 of ALPACAair shower array). In the present paper, we report on the current status and the performance of theALPAQUITA array.

35th International Cosmic Ray Conference — ICRC201710–20 July, 2017Bexco, Busan, Korea

∗Speaker.

c⃝ Copyright owned by the author(s) under the terms of the Creative CommonsAttribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License (CC BY-NC-ND 4.0). http://pos.sissa.it/

ALPACA Collaboration

300m

Underground Pool

ALPACA Experiment

10

1.  Air Shower Array ~83,000m2 = 401 x 1m2 scintillation detectors

2.  Water Cherenkov Type muon detector ~5400m2 underground 2.5m (~19X0) = 56m2 with 20”φ PMT x 96 cells

"  Gamma-ray air shower has much less muons. Background cosmic rays can be rejected by >99.9% @100TeV.

"  Wide FoV (~2sr) observation regardless day/night and weather

7500 �

8

Site Survey Cosmic Ray Laboratory

at 5200m a.s.l.

Site at 4740m a.s.l

Airport � La Paz �

A Prototype AS Array :ALPAQUITAALPAQUITA K. Kawata

215mDetector

1m

Figure 1: (Left) detector deployment of the ALPAQUITA array. Open squares show 45 scintillation detec-tors of 1 m2. (Right) picture of a prototype 1 m2 detector.

electron-positron pairs in the shower. The inside of all scintillator boxes is painted by white color(NIPPON PAINT ACALUX) to increase the effective photocoverage of each detector.

We have measured characteristics of a prototype detector, such as the detector gain, transit timespread, and their position dependences in the laboratory utilizing cosmic muons. The observed 1MIP peak of the detector is clearly above dark noise, and the luminosity decreases by ∼10% at50 cm from the center. The transit time spread of the detector is measured to be ∼0.7 ns (∼1.1 ns)at the center of detector (at 50 cm from the center). Based on these detector characteristics, we arenow developing the detailed MC simulation.

The electronics hut will be constructed around center of the array. The whole detector iscovered with a white sheet to reduce the temperature variation. All the signal cables of detectorshave the same length of 100 m and use low-loss and high-frequency coaxial cable (FUJIKURA2.5D-HQ.SUPER).

3. Performances and Sciences

The primary purpose of the ALPACA experiment is the gamma-ray astronomy at the energyrange between 10 TeV and 1000 TeV in the southern sky. In addition, we will also observe thecharged cosmic rays with a threshold of a few TeV. The ALPAQUITA array will be operated asan engineering air shower array without the muon detectors. Using this array, we will evaluate theperformance, and develop the MC simulation, and expect some traditional cosmic-ray studies.

Recently, the IceCube and IceTop experiments located at the South Pole measured the detailedcosmic-ray anisotropy at the energies 20-2000 TeV in the southern sky [4, 5]. They found changesof anisotropy features depending on the energy. Currently, there is no anisotropy measurement at

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↓ 1m2 Detector

The ALPAQUITA array will be constructed at an altitude of 4,740 m, near La Paz in Bolivia,which is the same as the ALPACA site. This array consists of 45 scintillation detectors of 1 m2,and the detectors are placed on a lattice with 15 m spacing, covering �8,000 m2 (Left).Each counter has a plastic scintillator of 1 m2 (0.25 m2 × 4) in area and 5 cm in thickness(made by CI Kogyo) and is equipped with a high-gain 2-inch PMT (HAMAMATSU H7195)(Right). The scintillator box is set-up in an upside-down pyramidal style, and the height of boxis set to 0.7 m to optimize the balance between the timing accuracy and the number ofobserved photoelectrons. The box can be installed a low-gain PMT next to the high-gain PMTto increase dynamic range of the number of detected particles for the future plan. A 0.5 cm-thick lead plate is put on the top of each counter to increase the array sensitivity by convertingγ-rays into electron-positron pairs in the shower. The inside of all scintillator boxes is paintedby white color (NIPPON PAINTACALUX) to increase the effective photocoverage.We have measured characteristics of a prototype detector, such as the detector gain, transit timespread, and their position dependences in the laboratory utilizing cosmic muons. The observed1 MIP peak of the detector is clearly above dark noise, and the luminosity decreases by �10%at 50 cm from the center. The transit time spread of the detector is measured to be �0.7 ns (�1.1ns) at the center of detector (at 50 cm from the center). Based on these detector characteristics,we are now developing the detailed MC simulation.The electronics hut will be constructed around center of the array. The whole detector iscovered with a white sheet to reduce the temperature variation. All the signal cables ofdetectors have the same length of 100 m and use low-loss and high-frequency coaxial cable(FUJIKURA 2.5D-HQ.SUPER).

←Detectordeployment

Recently, the IceCube and IceTop experiments located at the South Pole measured the detailedcosmic-ray anisotropy at the energies 20-2000 TeV in the southern sky. They found changes ofanisotropy features depending on the energy. Currently, there is no anisotropy measurement athe TeV region in the southern hemisphere. The ALPAQUITA array can first measure the cosmic-ray anisotropy above a few TeV in the southern sky. The trigger rate of cosmic ray is estimatedto be roughly 150 Hz. We expect to detect the large-scale sidereal anisotropy with anamplitude �0.1% at the significance �10σ/year.The Tibet air shower experiment have continuously observed the Sun’s shadow since 1990 inthe northern hemisphere. They found a clear solar-cycle variation of the Sun’s shadow is seenin the 10 TeV during a full solar cycle from 1996 to 2009. Since the site of the ALPAQUITA islocated near the equator, the culmination altitude of the Sun is relatively high. Therefore, theSun’s shadow observation is possible through 1 year in our FoV with the zenith angle less than50�. Thus, the exposure of the ALPAQUITA along the Sun’s orbit will be twice larger than thatof the identical array placed in Tibet.

Performance & Science

PoS(ICRC2017)437

Presenter : K. Kawata (ICRR, The Univ. of Tokyo)Email : [email protected]

ALPAQUITA: prototype AS array

# of scintillation detectors 1.0 m2 × 45 detectors Effective area of ~8,000 m2

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ALPAQUITA: 現状インフラ (道路、土地、フェンス、建物、避雷針、電気、インターネット)

ー 現在ボリビア側が準備中

検出器架台

ー ボリビアにて試作品完成

その他の物品

ー 来週ボリビアへ向けて輸送業者に引き渡し

※ 日本からボリビアまで 海上+トラック で約4ヶ月

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ボリビアにて試験的に製作した架台に 日本からサンプルとして送ったボックスを載せ、カバーをかけた

ALPAQUITA: 検出器架台、ボックス、カバー

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まとめ

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★南半球 (ボリビア) での新計画 ALPACA

ボリビア チャカルタヤ山中腹 標高 4,740 m 地表空気シャワーアレイ (83,000 m2) +

地下ミューオン検出器 (5,400 m2)

★ ALPAQUITA = プロトタイプ空気シャワーアレイ

1.0 m2 シンチレーション検出器 × 45台 (7,650 m2)

準備完了 2018年 稼働開始予定