Next-generation experiment working group

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1 Next-generation experiment working group
Preparation consortium for R&D of “The World Observatory” Shoichi OGIO Graduate school of Science, Osaka City University

2 Preparation Consortium for R&D of the World Observatory
UHECR2012で将来計画の話をした３人で結成 Antoine Letessier-Selvon(LPNHE CNRS/IN2P3) Paolo Privitera(U of Chicago) SO （今のところ）PAO、TAとは独立、無関係 （今のところ）地上実験を指向

3 Ideas for the World Observatory
CASE (1)：TA実験の立場から(S. Ogio) CASE (2)：PAO実験の立場から （高機能SD, A. Letessier-Selvon） CASE (3)：PAO実験の立場から （FDアレイ, P. Privitera ）

4 CASE (1): Idea from the TA’s position
eV + eV pure proton 　　　　　　　　→ GZK 機構 点源・異方性が見えない 　　　　　　　 →UHECR源をとにかく見つける 　　　　　　　　→最高エネルギー端に感度・大面積 伝播距離短い=UHECR源の数を制限 磁場による偏向角小さい 検出器間隔大きい（=全体のコスト低下）

5 点源を探すためには..... 高エネルギー端領域に集中=寄与する源の数を制限 源の密度=10-4 Mpc-3 GZK半径の中の源の数

6 点源が同定されるためには..... Ns（源の数）×Ω（分解能） < 4π アレイの角度分解能を2.1°として考慮に入れた
磁場による偏向 アレイの角度分解能を2.1°として考慮に入れた

7 アレイ配置間隔の最適化 エネルギーしきい値が決まれば配置間隔を最適化できる

8 大面積SDアレイ（仮称：TA-2） １台100万円として 建設費100億円

9 CASE (1)：まとめとコメント Eth=1019.8eVとし、点源探査に特化 ExposureはEUSOに引けを取らない
化学組成、シャワー構造測定は不可能ではないが ExposureはEUSOに引けを取らない 40,000km2 × 運用20年 × 100% duty 分解能では優れる：Δθ~2°、ΔE/E~15% 技術的には「枯れている」 それが「高評価」につながるとは限らない TA × 60、Auger × 13、（北Auger × 2）、100億円 ニュートリノ検出が期待できない

10 CASE (2): Idea from the PAO’s position (高機能SDアレイ）
GZKかどうかわからない 高エネルギー端での一次組成が不明 ガンマ線・ニュートリノに感度 Zの小さなシャワーだけで到来方向分布 ハドロン物理⇔e/μ分離 統計 ⇔ duty factor 100% 高機能水タンク EASIERタイプの電波観測も（MHzかGHz)

11 電波観測 on SD tanks

12 ２層構造水タンク複数配置 2000ユニットを3km間隔の正三角形配置=16,000km2 2000×7×110万円=154億円

13 CASE (2)：まとめとコメント ２層水タンク+電波：e／μ分離測定 14,000台、16,000km2、154億円
水タンクは高価 110万円は安過ぎないか？ 水タンクを本当に設置できるか？ 特に北米に。北Augerは計画されてたけど 14,000台、16,000km2、154億円 南Augerの５倍くらい。これで十分か？ low Zのイベントを集め、異方性・点源探査 このSDアレイにZ弁別能力が本当にある？ 相互作用と組成を分離できる？

14 CASE (3): Idea from the PAO’s position (廉価FDアレイ）
GZKかどうかわからない 高エネルギー端での一次組成が不明⇔ Xmax測定 南PAOのexposureをFDで duty factor 10% → To cover 30,000km2 O(10M$)

15 新FD望遠鏡のコンセプト １ピクセル ジオメトリは誰かに決めてもらう 440ピクセルの代わりに （あるいは数ピクセル）
シャワー＝検出器平面とタイミングから ジオメトリを決める（地表検出器の情報があればハイブリッド） ジオメトリは誰かに決めてもらう いったんジオメトリが決まってしまえば、 チェレンコフ光の影響、大気の補正ができさえすれば、XmaxはGHフィットで決められる。

16 シンプルFDと40,000km2 FDアレイ 1400×100万円=14億円 FD望遠鏡のデザイン 1ステーション=360°
=12 PMTs 120 ステーション 20 km間隔（正三角） =40,000 km2 1400 PMTs 南Auger SD：4800 PMTs 1600 ステーション 1400×100万円=14億円 もっと密な配置、高仰角が必要かも知れない （10km間隔、24 PMTs／ステーションなど） それでも「お手頃価格」といえるだろう

17 シミュレーション結果 トリガー：3ステーション同時 eVで100%検出

18 From concept to design

19 CASE (3)：まとめとコメント １ピクセルFDの多数配置 1400 PMTs、120ステーション、40,000km2、14億円
実現性：夜光ノイズが多すぎないか？ Geometry再構成のために地表検出器アレイ必要 コスト上昇？ チェレンコフ光用PMTアレイは1つの解か？ Xmaxの精度は十分か？ 検討項目 多数

20 新しい提案 Officialでない、単なる思いつき Consortiumのお墨付きもありません 練られてません

21 CASE (4): Idea by SO 点源探査 > 1019.6eV PAOと同規模はつまらない
最低でもEUSO normal mode 40,000km2で10年 組成のタグがついた到来方向分布 ⇔ FD ハドロン物理 ⇔ FD+高機能SD 小型軽量=TA type SD 広いエネルギー範囲：ankleから1021eV

22 高機能SD+FDアレイ 40,000 km2 SDs: 10,200 2.0km spacing FDs: 1,512
AGASA TA-SD Auger 40,000 km2 SDs: 10,200 2.0km spacing FDs: 1,512 20km spacing

23 Multi Pixel and Lead Barger TA-SD
鉛+シンチ 多重積層モジュール μ／e／ガンマ分離 鉛バーガー ２層モジュール μ分離

24 Multi Pixel and Lead Barger TA-SD
鉛+シンチ 多重積層モジュールμ／ガンマ／e分離 鉛バーガー ２層モジュール μ分離 読み出しはMAPMTかMPPC 64ch/SD 50MSPS（TA-SD並み） 帝人 シンチレックス Hamamatsu H8500

25 Multi Pixel Fresnel Lens FD
Paolo’s original idea マルチピクセル 撮像素子 900 ch 空間分解能を上げ、S/Nも向上させる JEM-EUSO PDMは ほぼ同じチャンネル数

26 CASE (4)：まとめとコメント 高機能SDアレイ + FD ステーションアレイ
40,000km2　（TA×57、南Auger×13.3） 最高エネルギーでの点源探査 Xmaxでタグのついた到来方向分布 組成測定とシャワー構造測定を分離 ハドロン物理に貢献 総額117億円 102億円 for SDアレイ＋15億円 for FDアレイ

27 CASE (4)：まとめとコメント TA-TALE または PAO-HEAT-AMIGA とともに
広いエネルギー範囲に感度、スケール統一 遠方から近傍まで Fresnel lens、Multi Pixels EUSOの技術がSD, FDどちらにも生きる

28 Preparation consortium の今後
Auger／TAグループの正式組織となるか？ EUSO、Super-EUSOとの関連 地上実験のみを指向しつづけるか？