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TA実験の結果と ニュートリノ検出の可能性 ICRR 多米田裕一郎

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TA実験の結果とニュートリノ検出の可能性

��ICRR 多米田裕一郎

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Outline

• Ultra High Energy Cosmic Ray

• Telescope Array Experiment

• TA Result

– Energy Spectrum

– Mass Composition

• Summary

11.3.9 第24回「宇宙ニュートリノ」研究会 2

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Ultra High Energy Cosmic Ray

11.3.9 第24回「宇宙ニュートリノ」研究会 3

HiRes

Auger

PRL.104.161101 (2010)

PRL.104.091101 (2010)

UHECR Mass composition

UHECR Energy spectra

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Telescope Array Experiment

• The largest cosmic ray detector in the northern hemisphere• Hybrid detector for UHECRs

– Western desert in Utah, USA

• Surface detector– 507 plastic scintillation counter (AGASA type)– 1.2 km spacing, 678 km2

– Particle density

• Fluorescence detector– Three FD stations– Northern site was transferred from HiRes-I– Longitudinal development

• FD obs. started : Oct, 2007• SD obs. started : May, 2008

11.3.9 第24回「宇宙ニュートリノ」研究会 4

35km

SD array

FD station

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11.3.9 第24回「宇宙ニュートリノ」研究会 5

Scintillator

3m2 1.2cm 2layers

WLSF

1.0mmφ 2cm spacing

Output

2 PMTs (Electrontubes 9124SA)

Stainless steal box

230x170x10(cm3)

( thickness 1.2mm、1.5 mm厚)

Scintillator

3m2x1.2cmx2layers

WLSF

1.0mmf 2cm spacing

2 PMTs

(Electrontubes 9124SA)

GPS antenna

Solar panel

120W

Stainless box

Wireless LAN antenna

2.4GHz

FADC 12bit 50MHz

GPS

LAN-MODEM

Charge Controller

Battery

Surface Detector

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SD Event example

11.3.9 6

r = 800m

AGASA fitting function

S800 : energy estimator

2008/Jun/25 - 19:45:52.588670 UTC

S800

Lateral distribution

air shower front

第24回「宇宙ニュートリノ」研究会

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Fluorescence detector

11.3.9 第24回「宇宙ニュートリノ」研究会 7

Newly developed fluorescence detectors

Middle Drum site

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Middle Drum

MD transferred from HiRes-I

11.3.9 8第24回「宇宙ニュートリノ」研究会

Transferred from HiRes-I

14 telescopes / st.

5.2m2 mirror

256 PMTs / camera

Sample-and-Hold

electronics: 5.6 μs gate

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Long Ridge

Black Rock Mesa

3.3m

1m

PMT

With BG3

60mm

12 telescopes / FD station

F.O.V. 108o x 30o

Spherical mirror

Curvature radius 6067mm

256PMTs / 1camera

F.O.V

PMT 1.1ox1.0o

Camera 18ox15.6o

Fluorescence Detector (FD)

11.3.9 第24回「宇宙ニュートリノ」研究会 9

HAMAMATSU R9508

Hexagonal bialkali photocathode

Borosilicate glass window

8dynodes

Q.E.:30%(350nm)

Gain:8.0x104(800V)

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TA FD Stereo Event

BRM

LR

Date log(E/eV) Xmax zenith azimuth Xcore Ycore

2008/09/04 19.71 890 g/cm2 44.3o -3.0o -3.1 14.2

Dete

cte

d #

of

P.E

.

11.3.9 10第24回「宇宙ニュートリノ」研究会

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TA Results

• Energy spectrum

– TA MD mono

– TA Hybrid

– TA SD

• Mass Composition

– TA FD Stereo

11.3.9 第24回「宇宙ニュートリノ」研究会 11

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TA MD mono energy spectrum

11.3.9 第24回「宇宙ニュートリノ」研究会 12

• Data: 2007/Dec~2008/Sep

• MC: CORSIKA/QGSJET events

• ~1/2 HiRes

PreliminaryPreliminary

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TA FD & SD Hybrid

11.3.9 第24回「宇宙ニュートリノ」研究会

TA Hybrid analysis

• Using signal arrival timing of FD and SD

• Angular resolution ~ 1.1deg (mono : ~4.7deg)

Using SD aperture

Constant above 1019eV

Data set: BR + LR

May/27/2008 – Sep/28/2009 (~1.5 years)

MC: Shower simulation : COSMOS

SD detector response : GEANT4

i

rcoretcore

Showeraxis

tSD

rSD

FD

Primary energy 1018eV ~ 1020.5eV with E-3.1

Zenith angle cosθ=0.65 (≒50degree) ~ 1

Primary particle Proton

Thinning ratio 10-4 (≤1020eV), 10-5(> 1020eV)

Interaction modelQGSJET II (> 80GeV)DPMJET III (<80GeV)

Cut threshold 100keV

Arrival directionPeak: 0.7 degreeResolution(68%):

1.1 deg

Preliminary Preliminary

13

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11.3.9 第24回「宇宙ニュートリノ」研究会 14

TA-Hybrid: Data MC Comparison

# of selected PMT # of clustered SD ψ

Rp χ2 of geom. fit -Log(L)

PreliminaryPreliminary

PreliminaryPreliminary

Preliminary

Preliminary

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TA-Hybrid : Energy Spectrum

11.3.9 第24回「宇宙ニュートリノ」研究会 15

Preliminary

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SD Analysis

• Good data fits:

– c2/d.o.f.: > 4.0

– Pointing direction resolution: < 5o

– Fractional S800 uncertainty: < 25%

• Good shower geometry:

– Border Cut > 1200m

– Zenith Angle Cut: < 45o

• May/2008 –Feb/2010

• 1.75 years, 6264 events (May/2008 –Feb/2010)11.3.9 16第24回「宇宙ニュートリノ」研究会

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SD Analysis:Energy Determination

• Energy determination table is constructed from the fitting results of the Monte Carlo.

• First estimation of the event energy is done by interpolating between S800 vs. secθisoclines.

secq

log1

0(S

80

0)

11.3.9 17第24回「宇宙ニュートリノ」研究会

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SD Analysis: Data/MC Comparisons

S800 Energy11.3.9 18第24回「宇宙ニュートリノ」研究会

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SD Analysis

1.1˚ Zenith

1.2˚ Azimuthal

11.3.9 19第24回「宇宙ニュートリノ」研究会

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SD Analysis: Energy Scale

• Energy scale is determined experimentally by FD without referring to MC.

• Set SD energy scale to FD energy scale using well-reconstructed events detected by both detectors.

• 27% renormalization.

11.3.9 20第24回「宇宙ニュートリノ」研究会

ESD=1.27EFD

ESD=EFD

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TA Surface Detector Energy Spectrum

11.3.9 21第24回「宇宙ニュートリノ」研究会

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SD Energy Spectrum:GZK Feature

11.3.9 22第24回「宇宙ニュートリノ」研究会

Preliminary

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SD Energy Spectrum:Comparison

● TA

SD

▲ TA MD

■ TA Hybrid

11.3.9 23第24回「宇宙ニュートリノ」研究会

Preliminary

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SD Energy Spectrum:Comparison

● TA

SD

▼ HiRes-II

▲ HiRes-I

11.3.9 24第24回「宇宙ニュートリノ」研究会

TA Preliminary

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SD Energy Spectrum:Comparison

● TA SD

▼ HiRes-II

▲ HiRes-I

●AGASA■ Auger

■ TA

Hybrid■ TA

MD

11.3.9 25第24回「宇宙ニュートリノ」研究会

TA Preliminary

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TA Results

• Energy spectrum

– TA MD mono

– TA FD Hybrid

– TA SD

• Mass Composition

– TA FD Stereo

11.3.9 第24回「宇宙ニュートリノ」研究会 26

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Xmax technique

Depth [g/cm2]

Nu

mb

er o

f ch

arge

d p

arti

cle

Shower longitudinal development

Xmax

• Shower longitudinal development strongly depends on their primary particle type.

• FD observes shower development directly.• Xmas is one of the most efficient parameter for

determining primary particle type.

HiRes

Auger

PRL.104.161101 (2010)

PRL.104.091101 (2010)

11.3.9 27第24回「宇宙ニュートリノ」研究会

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CORSIKA v6.9

• Hadronic interaction modelQGSjet-01, SIBYLL

• Primary : P, Fe

• Energy : log(E) = 18.0 – 20.0

• Zenith angle : 0 – 65 deg

• ~1400m a.s.l (Height of TA Site)

• Thinning factor : 10-4

Ecut: EM100keV, hadron100MeV

Air Shower Monte Carlo

1. Distribution of Energy and Xmax2. Systematic study for TA FD stereo3. Expected Energy vs Xmax observed by TA FD

averaged Xmax

11.3.9 28第24回「宇宙ニュートリノ」研究会

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Detector Monte CarloDetector simulation

• Shower generator : CORSIKA

• Shower cores: within 20km from the center of F.O.V. of each station.

• Actual detector configuration

• Typical atmosphere

Aerosol : typical value observed by LIDAR

scale height : 1.0km, mean free path : 29km

• Fluorescence model: Kakimoto et al., Flash (spectrum)

11.3.9 29第24回「宇宙ニュートリノ」研究会

FD Stereo reconstruction

Determination of shower axis by stereo reconstruction is much better than monocular reconstruction.Opening angle by monocular reconstruction is 〜5deg(1σ ).

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TA-FD Stereo analysis @1019-19.2eV

-0.8 ± 7.9%

-6.2 ± 5%

-11 ± 23 g/cm2

-11 ± 15 g/cm2

ΔE/Esim

ΔE/Esim

ΔXmax

ΔXmax

Proton (QGSJET01)

Iron (QGSJET01)

11.3.9 30第24回「宇宙ニュートリノ」研究会

〜 -4%

- Proton

- Fe

Missing energy correction (QGSJET-II)

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Prediction of Averaged Xmax CORSIKA

11.3.9 31第24回「宇宙ニュートリノ」研究会

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Prediction of Averaged XmaxCORSIKA with Detector MC

11.3.9 32第24回「宇宙ニュートリノ」研究会

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MC/Data Comparison

• Data set: 2007/Nov – 2010/Sep

• FD Stereo events

• Comparison with MC

• Quality Cut

Xmax observed

Zenith < 60o

Core within 19.6km circle

Energy > 1018.0eV

χ2 cut

11.3.9 33第24回「宇宙ニュートリノ」研究会

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MC/Data Comparison (QGSJET01)

Xcore Ycore

Zenith Azimuth

log(#of P.E.)

1018.8-19.0eV (47events)

Likelihood

11.3.9 34第24回「宇宙ニュートリノ」研究会

km km

deg deg

- Iron

- Proton

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Preliminary

Preliminary

Preliminary

Preliminary

Xmax Distribution (QGSJET01)1018.2-18.4eV 1018.4-18.6eV

1018.6-18.8eV 1018.8-19.0eV

11.3.9 35第24回「宇宙ニュートリノ」研究会

Iron

Proton

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PreliminaryPreliminary

Preliminary Preliminary

Xmax Distribution (QGSJET01)

1019.0-19.2eV 1019.2-19.4eV

1019.4-19.6eV 1019.6-19.8eV

11.3.9 36第24回「宇宙ニュートリノ」研究会

Iron

Proton

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Averaged Xmax

Preliminary

11.3.9 37第24回「宇宙ニュートリノ」研究会

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Averaged Xmax

11.3.9 38第24回「宇宙ニュートリノ」研究会

HiRes

Auger

PRL.104.161101 (2010)

PRL.104.091101 (2010)

Preliminary

TA

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Neutrino detection @ TA

11.3.9 第24回「宇宙ニュートリノ」研究会 39

TA results : GZK suppression favor

GZK neutrino : expected to be observed

Neutrino search by FD and SD

Earth-skimming tau neutrinos, etc.

Preliminary

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Conclusion

• TA : the largest detector in the northern hemisphere• FD : 2007/Nov. -• SD : 2008/Mar. -

• Energy spectrumMD mono, TA hybrid, SD : Suppression

• Mass CompositionFD stereo : Consistent with proton composition

• TA Result is consistent with GZK suppressionGZK neutrino is expected to be observed.

11.3.9 40第24回「宇宙ニュートリノ」研究会