宇宙線望遠鏡光学系の 性能評価と試験

1. 宇宙線望遠鏡光学系の性能評価と試験 ００－１５２５－０ 多米田裕一郎 指導教官 垣本　史雄 荻尾　彰一

2. 最高エネルギー宇宙線 • エネルギーが1020eVを超える宇宙線 • 起源は特定できていない • 宇宙背景放射と反応してエネルギーを失う • 伝播距離に制限を受ける • ~50Mpc以遠からは到達しない（ GZK限界） • 銀河磁場中も直進する • 点源天体の方向がわかる

3. 流量（フラックス×E3） AGASAの問題点 モンテカルロ計算を介してエネルギー を決定するため系統誤差が大きい ＧＺＫ限界 高エネルギー領域の宇宙線のエネルギースペクトル AGASAの観測結果 • エネルギーが1020eVを超える宇宙線を観測 • 予想されていたGZK限界が無い事を示唆する結果 GZK限界を超える宇宙線の 存在の確立に大きな障害 ・大きな検出面積 ・モンテカルロ計算を介しない観測方法の併用 優れたエネルギー決定精度を持つ次世代検出器へ

4. 望遠鏡ステーション 地表検出器 宇宙線望遠鏡実験（ＴＡ） AGASAとTAの比較 敷地面積 １００ km2→　８００km2 エネルギー決定精度 ２０％　　　→　１０％以下 角度分解能 １．６°　　→　０．４° • 目的 エネルギースペクトルの確定 一次粒子の同定 点源天体探索 • 米国ユタ州　西部砂漠地帯 • 今年度から製作開始 • 大気蛍光望遠鏡ステーション　３ヶ所 • 地表検出器　　　５７６台 測定感度がＡＧＡＳＡの約１０倍

5. １次宇宙線 大気蛍光望遠鏡と地表検出器 によるハイブリッド観測 空気シャワー 宇宙線の観測方法 • 空気シャワー観測 • １次宇宙線が大気と相互作用して作る空気シャワーを観測する • 大気蛍光の観測 • 空気シャワー中の電子が通過する時、大気が励起され蛍光を発する • シャワー発達全体を観測できる • モンテカルロ計算を介さず一次宇宙線のエネルギーを決定できる • 地表検出器による観測 • 地表に届いたシャワー粒子を観測

6. 大気蛍光望遠鏡ステーション 蛍光望遠鏡

7. PMT１本の視野１° 60mm 3400mm 660mm PMTが16×16で配置されたカメラ １８枚の球面鏡からなる合成鏡

8. カメラ枠 望遠鏡の視野シミュレーション 視野端 宇宙線望遠鏡のカメラ面での反射光のスポットの光量強度分布である。 －１０度から１０度まで４度毎と、必要とする視野端の水平±９度、垂直±７．５度の平行光線を照射した。

9. 試験装置の開発 光学系スペックについて • 高い角度分解能での宇宙線到来方向の決定 　　カメラ面でスポットがPMTに十分収まる必要がある 　　カメラ面でのスポットサイズ ~３０ｍｍ • このスペックを満たすようレイトレース・シミュレーションでセグメントミラーのスペックを最終決定 • これを満たさないものは角度分解能やエネルギー決定精度を落とすので、使用できない • 製作された球面鏡が以上のスペックを満たしているか試験する必要がある

10. スペックの最終決定 合成鏡のスポットサイズはカメラ面で、PMT（６０ｍｍ）に十分収まる必要がある。 • 視野端でのスポットサイズが３０ｍｍになるように鏡のスペックを決める。 • レイトレース・シミュレーションによりセグメントミラーと合成鏡のスポットサイズの関係を求める。 • 合成鏡のレイトレース • 鏡１８枚それぞれの曲率半径6067mmに誤差を与えた • 鏡面の凹凸をガウス分布で近似的に与えた

11. 与えた曲率半径の誤差範囲 セグメントミラーと合成鏡のスポットサイズ 横軸：セグメントミラーのスポットサイズ 縦軸：合成鏡のスポットサイズ セグメントミラーがスポットサイズ２０ｍｍで製作されてきた場合、曲率半径の誤差は±４０ｍｍが許容範囲 これをセグメントミラーのスペックとする

12. 光源 スキャナー ミラー （リファレンスミラー）　 宇宙望遠鏡のミラーの試験方法 • 曲率半径測定方法 • 光源とスキャナーをミラーに対して、同時に前後に動かし、スキャナーに映るスポットを測定 • スポットの変化から曲率半径を見積もる • 反射率測定方法 • 反射率のわかっているリファレンスミラーを用い反射光の強度を測定 • 試験するミラーでも同様にはかり、リファレンスミラーと比較し間接的に反射率を求める

13. スポットサイズ スポットの中心（ｘ成分） スポットの中心（ｙ成分） 前述の原理で試験を行った場合のシミュレーション • スポットサイズは曲率半径で最小になる • スポットの変化から曲率半径は見積もれる 曲率半径 横軸：スクリーン位置

14. イメージスキャナー レーザー距離計 光源 光軸決定ディスク 移動ステージ 宇宙線望遠鏡用鏡試験装置（Telescope Array Mirror Examination Device ） ミラー架台

15. 曲率半径 ６０５７ｍｍ ６０６２ｍｍ ６０６７ｍｍ ６０７２ｍｍ ６０７７ｍｍ ６０８２ｍｍ ６０８７ｍｍ ６０９２ｍｍ 試験の結果 スキャナーを前後に５ｍｍ間隔で動かした 曲率半径　　　　６０７７±５ｍｍ　 スポットサイズ　６．９ｍｍ

16. 結論と今後 • 光学系のスペックを最終決定した。 • 鏡の曲率半径とスポットサイズを測定する事ができる装置を開発した。 • 現在スポットの解析プログラムを作成中なので、スポットサイズは±５ｍｍ以下で求めることができる。 • この装置は、ミラー製作現場で使用されるため測定の完全自動化が必要。 • 解析のプログラムの完成 • 反射率の同時測定（リファレンスミラー）

18. 最高エネルギー宇宙線の起源 • ボトムアップモデル（プロトンなど） • 高いエネルギーをもち非常に巨大な天体 • 活動銀河核・ガンマ線バースト・衝突銀河 • トップダウンモデル（ガンマ線） • ビッグバン初期に作られた超重粒子・宇宙ひもなどの崩壊 • 存在すら未発見

19. pion production 最高エネルギー宇宙線の伝播機構 • 高エネルギーのガンマ線により陽子が核子共鳴状態に励起され、π中間子を放出しエネルギー損失が起こる。 • 減衰距離　 1020eV : 100Mpc エネルギースペクトルにカットオフ

20. 空気シャワー • 一次宇宙線が大気と相互作用して発生した二次粒子（電子、ミューオンなど） • 縦方向発達 • 大気の深さに対するシャワー粒子数の変化 • 横方向分布 • シャワー軸からの広がり • 電子数、ミューオン数 • それぞれ一次宇宙線の核種やエネルギーで異なる

21. 荷電粒子による蛍光 大気蛍光法 • 　地表検出器に比べるとモンテカルロ計算に殆ど依存することなくエネルギーが決定できる • ステレオ観測により到来方向がわかる • 　シャワー全貌がわかるためXmaxから一次粒子の同定ができる

22. 宇宙線 蛍光 空気シャワー 地表検出器による観測 入射粒子数密度 入射時間差

23. 光軸の調節方法