TA実験２１３：次世代大規模検出器アレイのための検出器開発

(1)

GRAPES-3 実験と明野観測所ミューオン検出器による宇宙線異方性短期変動の観測

東京大学宇宙線研究所野中敏幸

平成24年度太陽圏シンポジウム・STE研究集会

＠名古屋大学

(2)

2013/03/01 太陽圏シンポジウムＳＴＥ研究集会＠名古屋大学

宇宙線強度短期変動

太陽

ejecta

太陽フレヤなどの

突発的な太陽活動によって宇宙線強度が変動する

（ＦｏｒｂｕｓｈＤｅｃｒｅａｓｅ）

観測装置は地球とともに自転しているため、宇宙線の異方性も時系列変動として観測される。  局所的な異方性も観測対象

2

(3)

稼動中のＭｕｏｎホドスコープ/ テレスコープ

ミューオンネットワーク観測

ＧＲＡＰＥＳ３

（Ooty）

Akeno Norikura

Tasmania Moscow

Notre Dame

μに対する角度分解能<10°を持つ観測装置

惑星間空間の変化による宇宙線到来方向の異方性を観測している。

K.Munakata 2005

乗鞍ミューオンホドスコープによる宇宙天気研究

-半世界的ネットワーク観測計画- より

2013/03/01 太陽圏シンポジウムＳＴＥ研究集会＠名古屋大学 3

(4)

異方性による短期変動の例

◆宇宙線密度勾配Ｘ磁場による異方性。

◆１次の異方性＋低密度領域の形状を反映した高次の構造

◆

Shock

で反射されたと思われる構造。

◆

Loss-Cone precursor decrease (LCPD)  Nagashima, Fujimoto

(1992,1994)

◆低密度領域と磁力線につながる事で磁力線の向きに異方性を見る。

ＣＭＥ等の到来前に観測される  （宇宙天気予報）

殆どのケースで後続にForbush Decrease（ＦＤ）を伴う。

4

(5)

• 惑星間磁場の方向に出現

• 半径３０°程度の局所的な異方性。

• ＣＭＥ到来の直前に現れる。

より高いエネルギーで、

方向精度の良い観測。

短時間、高い統計を得られる観測。

空気シャワー実験のミューオン検出器を用いて２次元的に観測

要求

異方性による短期変動の観測

(6)

ミューオンの飛跡認識のための４層の比例計数管層

Ｅμ＞１ＧｅＶ

ミューオンの強度を到来方向別に記録。

 ミューオン望遠鏡

明野観測所検出器 75m ² GRAPES-3検出器 560m ²

観測装置概要

6

(7)

中央 : 0.05 %/Hr ・ 16module 視野端 : 0.3 %/Hr ・ 16module

50 ° x 50 ° 15x15 cells

Proportional counters.

観測装置統計量

５１２００ trigger/sec @GRAPES-3

(8)

ＧＲＡＰＥＳ－３

ＡＫＥＮＯ

応答関数の中央値Ｘ地磁気効果で近似

観測装置視野

(9)

• データ処理：

望遠鏡視野内の各セルのカウント数を規格化。

• 望遠鏡モジュール間の平均：

ある時刻の望遠鏡視野内の異方性

観測データ

15° 30°

45°

60°

☆＝惑星間磁場方向

(10)

• GRAPES-3 での観測 2001 --- 現在継続中ほぼ欠測なし

• 明野での観測 2003/10 – (2005) トラブル等経て現在継続中

これまでの観測

前兆減少 (LCPD) の事象再構成

前兆減少 (LCPD) が付随するの FD の割合

LCPD の振幅と FD の振幅との相関

GRAPES-3 ＋ Akeno でのＬＣ異方性検出

観測期間と太陽活動

10

解析を行った項目

(11)

ＬｏｓｓＣｏｎｅ型前兆減少の観測

+1.7%

-1.7%

+1.7%

01/04/10

赤色の等高線はACE衛星で観測された、惑星間磁場（ＩＭＦ）との開角を表している（１５°間隔）。

North

South Vertical

2001年04月11日の強度変動

（東西方向の射影角）

（南北方向の射影角）

NW NE

SW SE

E

S W

N

V

衝撃波到来の11 時間前に観測された。（前兆現象）

2%

01/04/1１

上：方向別、時系列強度変動下：視野内異方性、

期待通りに観測にかかる。

◆一日目は磁場の方向に非常に良く一致

◆２日目は磁場方向からはずれる、振幅は顕著に増大。

2013/03/01 太陽圏シンポジウムＳＴＥ研究集会

＠名古屋大学

11

(12)

ガウス関数型の異方性を仮定して、構造と出現位置を推定

強度モジュレーションの関数形

視野の各セルのカウント数の変動

応答関数

実測

観測した構造と動きを再現

ＬｏｓｓＣｏｎｅ型前兆減少の構造推定

～３０°

視野内の構造のどこまでをＬＣＰＤの構造としてよいのか判断は難しい

＠名古屋大学

12

(13)

2001/04/10 -- 11

01/03/30

01/08/27 01/04/28

1 : 3:

4 : 5:

6:

7:

01/08/17

02/09/23

02/11/11

観測されたその他のイベント

2:

◆異方性の振幅、構造の評価には背景の日変動（太陽時異方性）を差し引く必要。

◆異方性の中心はＩＭＦの方向に良く相関する



この現象の観測では、望遠鏡の視野方向はレスポンスのMedian Rigidity付近での観測方向で近似して構わない。

◆磁場と相関しない場合でも、方向はＧＳＥ

270-360°

＠名古屋大学

13

(14)

Schematic of the idea(1-Dim).

ＩＭＦの方向に高次

（小さな空間構造）

の異方性振幅が残差として残る。

(analysis were done in 2-D)

背景にある異方性（低次）の考慮

概念図

太陽時日変化の様な低い次数の異方性を２次までの球面調和関数でＦｉｔして差し引く

＠名古屋大学

14

(15)

＠名古屋大学

背景にある異方性（低次）の考慮

１次の異方性モデル

MCで求めた望遠鏡応答

疑似観測データ

２次の球面調和関数でfit

Ｘ =

残差(異方性振幅に混入) 十分小さい

実際の観測だとインド１地点の観測であるため、時刻による変動がこれに加わる。

観測では時系列変動の項として時刻に対して一次で依存をする項を、全球の変動として加えている。

15

(16)

Blue ： Best Fit Red: Data

Data Fit

Residual

GSE longitude 270 ^o –360 ^o .(IMF direction) に残った残差

もし異方性があればここのマイナス側に分布が現れる。



GSE 座標

Residual @IMF direction

２４時間のデータを１セットとして解析

GSE longitude in 0 ^o to 270 ^o を背景の異方性の評価に使う。

球面調和関数 (<2 ^nd ) and 時系列変動 αT

背景にある異方性（低次）の考慮（実例１）

＠名古屋大学

16

(17)

Data Best Fit

GSE longitude 270 ^o –360 ^o .(IMF direction) に残った残差

もし異方性があればここのマイナス側に分布が現れる。

 イベント！

GSE 座標

２４時間のデータを１セットとして解析

GSE longitude in 0 ^o to 270 ^o を背景の異方性の評価に使う。

背景にある異方性（低次）の考慮（実例２）

信号量として

Σｄとして -0.35%以下の残差を示した方向の残差の和を取る。

残差

＠名古屋大学

17

(18)

５３例のForbush Decreaseに対して解析

ＦＤの振幅は予想可能

異方性の２～２．５倍の振幅

Forbush Decrease の変動量分布にＰＤが観測されたイベントを重ねる

ＰＤの振幅と後続のＦＤの変動量との比較

Forbush Decreaseの振幅が大きな場合の方が

観測にかかる割合が高い

＠名古屋大学

18

(19)

宇宙天気研究との関わり：

太陽活動：フレヤ+CME 高エネルギー粒

子、X線惑星間擾乱

ＧＰＳ

石油パイプライン

高エネルギー粒子

衛星軌道

地磁気の応答

宇宙線強度変動（ＦＤ）

宇宙線観測で見られる前兆減少の観測

○ 宇宙線での前兆減少の振幅を評価し、銀河宇宙線強度変動

（FD）の規模との対応関係を調べた。 (PD->FD)

ここまでＧＬＥ

中性子観測

実際の地磁気擾乱との相関はどうか？

http://www.sec.noaa.gov/primer/primer.html

？

This work

＠名古屋大学

19

(20)

（横軸）：観測されたForbush Decrease

（縦軸）：そのイベント付近の最大Ｋｐ index

○：LCPD有り

2/2 4/6

7/14 Kp＞７以上に対しては前兆減少有り

は半分くらい（例数は多くない）

前兆現象の振幅と

地磁気擾乱の規模には相関は見られ無い。

ＬＣＰＤの構造広がりはどうか

（Nagashima Fujimoto モデルによると磁力線の圧縮具合で決まる。  今後

６７８９４５

Kp index

＋高次の異方性を精度よく再構成するにはネットワーク型観測が有用 ( ＧＭＤＮ、

メキシコの新設望遠鏡)

宇宙天気研究との関わり：

＠名古屋大学

20

(21)

ＧＲＡＰＥＳ－３

ＡＫＥＮＯ

同様の観測を2003/10月から２地点で開始（山梨県明野観測所）

観測装置視野

＠名古屋大学

21

(22)

2 地点間同時観測の成功例： Loss-Cone 型異方性

：

7/29 7/30 7/31 8/01 8/02

(UT)

ＧＲＡＰＥＳ - ３明野

7/29 7/30 7/31 8/01 8/02

(UT) North

Vertical

South

North

Vertical

South

〇 07/30 ～ 08/01 にかけて、 GRAPES の望遠鏡視野の南側

と北側で異なる変動。

（～

1%

程度）

何らかの異方性が出現していたと考えられる。

〇明野の望遠鏡でも同様の変動。

ＧＲＡＰＥＳとの出現時刻の差

：ほぼ経度差に相当

22

(23)

〇２つの観測所を用いて異方性を６時間以上にわたって観測。

〇惑星間磁場の方向に異方性は存在した。

０７

/

３１２時

ＧＲＡＰＥＳ - ３

^（

E76.7 ° N11.4 °

）

視野端をかする

０７

/

３０２２時（ＵＴ）０７

/

３１０時０７

/

３１４時

- 1.7

% +1.7

%

明野

（E138.5 °N35.8 °）

（ smoothed ）

０７/３０２２時（ＵＴ）０７

/

３１０時０７

/

３１２時０７/３１４時西

北

南

東

-1.7%

+1.7

%

望遠鏡視野内の強度マップ：

23

(24)

異方性の視野内での動き

７

/

３０２２時７

/

３１０時

７

/

３１２時７

/

３１４時

７

/

３０２２時７

/

３１０時

７

/

３１２時７

/

３１４時

明野観測所

ＧＲＡＰＥＳ - ３北

東

〇

異方性が視野内を通過した位置を

時系列にまとめると左図の様になる。

〇

各セルの観測方向をMedian rigidity 粒子の到来方向で近似（

25

地球半径上空）

できるとして、異方性の出現位置を見積もる

ことができる。

²⁴

(25)

各セルの観測方向をMedian rigidity 粒子の到来方向で近似（

25

地球半径上空）

推定される異方性の方位

０時２２時２時

４時

〇両ステーションで確認された異方性は大体、左図の様に再構成できる。

〇明野の望遠鏡での観

測によって、ＧＲＡＰＥＳで

は視野の端にあった異方

性が、 LossCone 型異方性

であることが、確認された。 ₂₅

(26)

2地点間同時観測の成功例： Loss-Cone型異方性

太陽の西にあった活動領域６５２がフレヤ＋CME を発生させながら西端付近

へ。

 地球から離れた場所に宇宙線低密度領域

〇異方性は３日間（以上）存在した。

7/27日以降、しばらくの間、目だったFD

は観測されていない。

〇異方性はIMF方向に出現。

（LossCone型）

〇徐々に、異方性の出現時間が前進

（太陽時で）。

〇この期間の２４時間周期の変化を、

太陽時異方性としてみると、異方性の振幅が大きく変動している様に見える。

太陽時異方性の振幅が変化する成因を直接確かめた例ではないか？と考えている。

＠名古屋大学

26

(27)

GRAPES-3による活動期の観測から

◆大きなForbush decreaseの直前には大きな振幅の前兆減少が観測される傾向を確認。

◆Loss-Cone型前兆減少 Nagashima.et al (1992)のモデルの描像

◆前兆減少とそれに続くForbush Decrease規模の平均的な関係を得た。

＠名古屋大学

まとめ

GRAPES-3 明野観測所で、多方向ミューオン望遠鏡による異方性

の連続観測を行っている。

27

(28)

◆ GRAPES-3 ＋明野観測所での観測は全球を覆うデータ(GMDN)のデータと同様に惑星間擾乱の様相を反映した、異方性を検出している。

◆ 特色として、高次の異方性の検出が得意

まとめ

全球に観測点が存在した場合のイベントディスプレイ想像図

高次の異方性を検出

 磁気雲の情報を得る？

28

(29)

＠名古屋大学

29

ＢａｃｋＵｐ

(30)

Diurnal anisotropy and common variation were assumed to be expressed as following formula.

S , G , A

_nm

, α

_nm

those minimizing following x ² were searched

The linear term St + G corresponds the variation which common in all direction.

Estimation of angular structure of Diurnal Anisotropy.

Using following spherical harmonics fuctions

Data points in GSE longitude in 0 ^o -270 ^o is used for this fitting. 2013/03/01 太陽圏シンポジウム

ＳＴＥ研究集会＠名古屋大学

30

(31)

２００３年１０月２９日のForbush Decrease（ＧＲＡＰＥＳの単独観測）

-1.7%

+1.7%

-9%

2003/10/28 に発生したX17/4b class flare と CMEによる

Forbush Decrease.

前兆増加（緑色の部分）の異方性を二次元的に観測。

“直径６０°程度の粒子の流れ“

到来方向は太陽方向、IMF両方に、

ほぼ一致する。

ここ！

観測例：

＠名古屋大学

31

(32)

明野観測所にある空気シャワー実験等に利用されている比例計数管（+アンプ

・ディスクリ）約６００本をＭＵステーション内に再配置して観測。

DAQ system : ＧＲＡＰＥＳ-３

（Ｍ１、Ｍ５、Ｍ８で観測）

New Telescopes in Akeno Observatory(Japan)

Muon

Detector

□ 10cm × 10cm × 500cmの比例計数管を使用。

□ 検出器面積約 25m²

/station Muonの閾値エネルギー 1GeV

地図

～２００ｍ

Ｍ１

Ｍ５

Ｍ８

（Akeno Observatory）

Akeno

（E138.5 °N35.8 °）,Japan

＠名古屋大学

32

(33)

Ia :Minimum intensity in latest 24 hours

Ib:Minimum intensity in following 24 hours.

Forbush Decrease(FD) Event

Ia-Ib > 0.4% FD candidate

FD: Green colored histogram

Total 56 FD event

FD are searched by using difference between Ia- Ib.

At these 56 FD events,Eye Scan Analysis in searching for PD Anisotropy were done using relative intensity map in FOV

Too gradual events

＠名古屋大学

33

(34)

-0.35%

ＲＭＳ～0.15

Using this distribution, a parameter

“∑ ｄ” was defined as integrated value of the histogram below -0.35%.

Average of residual’s distribution PD events found in Eye-scan analysis shows significant distribution below residual of –0.35%.

(2001/03/25-26) 2001/04/10-11

2002/04/16-17

∑d

Introducing a parameter for evaluate degree of PD anisotropy.

At 17 event, ∑d <-10

＠名古屋大学

34

(35)

Statistical Check.

-1.4 -1.2 -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6

1/1 1/2 1/3 1/4 1/5 1/6 1/7 1/8 1/9

Relative intensity (%)

N B A

B B A A A N N N

The significance of large ∑d values as a “precursor phenomena” was checked. All of data of 24 hour duration was categorized into one of the three types “A” ,"B"

TA実験２１３： 次世代大規模検出器アレイのための検出器開発

GRAPES-3 実験と明野観測所ミューオン検 出器による宇宙線異方性短期変動の観測

東京大学宇宙線研究所 野中敏幸

平成24年度太陽圏シンポジウム・STE研究集会

＠名古屋大学

宇宙線強度短期変動

太陽

ejecta

太陽フレヤなどの

突発的な太陽活動によって宇 宙線強度が変動する

（Ｆｏｒｂｕｓｈ Ｄｅｃｒｅａｓｅ）

観測装置は地球とともに自 転しているため、宇宙線の 異方性も時系列変動として 観測される。  局所的な異 方性も観測対象

稼動中のＭｕｏｎ ホドスコープ/ テレスコープ

ミューオンネットワーク 観測

ＧＲＡＰＥＳ３

（Ooty）

Akeno Norikura

Tasmania Moscow

Notre Dame

惑星間空間の変化による宇宙線到来方向の異方性を 観測している。

K.Munakata 2005

-半世界的ネットワーク観測計画- より

異方性による短期変動 の例

Shock

Loss-Cone precursor decrease (LCPD)  Nagashima, Fujimoto

(1992,1994)

ＣＭＥ等の到来前に観測される  （宇宙天気予報）

殆どのケースで後続にForbush Decrease（ＦＤ）を伴う。

• 惑星間磁場の方向に出現

• 半径３０°程度の局所的な 異方性。

• ＣＭＥ到来の直前に現れる。

より高いエネルギーで、

方向精度の良い観測。

短時間、高い統計を得 られる観測。

空気シャワー実験のミューオン検出器を用いて ２次元的に観測

要求

異方性による短期変動 の観測

ミューオンの飛跡認識のための ４層の比例計数管層

ミューオンの強度を到来方向別に記録。

 ミューオン望遠鏡

明野観測所検出器 75m 2 GRAPES-3検出器 560m 2

観測装置概要

中央 : 0.05 %/Hr ・ 16module 視野端 : 0.3 %/Hr ・ 16module

50 ° x 50 ° 15x15 cells

Proportional counters.

観測装置 統計量

５１２００ trigger/sec @GRAPES-3

ＧＲＡＰＥＳ－３

ＡＫＥＮＯ

応答関数の中央値Ｘ地磁気効果 で近似

観測装置 視野

• データ処理：

望遠鏡視野内の各セルの カウント数を規格化 。

• 望遠鏡モジュール間の平均：

観測データ

15° 30°

45°

60°

☆＝惑星間磁場方向

• GRAPES-3 での観測 2001 --- 現在継続中 ほぼ欠測なし

• 明野での観測 2003/10 – (2005) トラブル等経て現在継続中

これまでの観測

前兆減少 (LCPD) の事象再 構成

前兆減少 (LCPD) が付随す るの FD の割合

LCPD の振幅と FD の振幅と の相関

GRAPES-3 ＋ Akeno での ＬＣ異方性検出

観測期間と太陽活動

解析を行った項目

ＬｏｓｓＣｏｎｅ型前兆減少 の観測

+1.7%

-1.7%

+1.7%

01/04/10

North

South Vertical

2001年04月11日の強度変動

NW NE

SW SE

E

S W

TA実験２１３：次世代大規模検出器アレイのための検出器開発

GRAPES-3 実験と明野観測所ミューオン検出器による宇宙線異方性短期変動の観測

東京大学宇宙線研究所野中敏幸

突発的な太陽活動によって宇宙線強度が変動する

（ＦｏｒｂｕｓｈＤｅｃｒｅａｓｅ）

観測装置は地球とともに自転しているため、宇宙線の異方性も時系列変動として観測される。  局所的な異方性も観測対象

稼動中のＭｕｏｎホドスコープ/ テレスコープ

ミューオンネットワーク観測

惑星間空間の変化による宇宙線到来方向の異方性を観測している。

異方性による短期変動の例

• 半径３０°程度の局所的な異方性。

短時間、高い統計を得られる観測。

空気シャワー実験のミューオン検出器を用いて２次元的に観測

異方性による短期変動の観測

ミューオンの飛跡認識のための４層の比例計数管層

明野観測所検出器 75m ² GRAPES-3検出器 560m ²

観測装置統計量

応答関数の中央値Ｘ地磁気効果で近似

観測装置視野

望遠鏡視野内の各セルのカウント数を規格化。

• GRAPES-3 での観測 2001 --- 現在継続中ほぼ欠測なし

前兆減少 (LCPD) の事象再構成

前兆減少 (LCPD) が付随するの FD の割合

LCPD の振幅と FD の振幅との相関

GRAPES-3 ＋ Akeno でのＬＣ異方性検出

ＬｏｓｓＣｏｎｅ型前兆減少の観測

上：方向別、時系列強度変動下：視野内異方性、

◆一日目は磁場の方向に非常に良く一致

◆２日目は磁場方向からはずれる、振幅は顕著に増大。

ＬｏｓｓＣｏｎｅ型前兆減少の構造推定

◆異方性の振幅、構造の評価には背景の日変動（太陽時異方性）を差し引く必要。

の異方性振幅が残差として残る。

太陽時日変化の様な低い次数の異方性を２次までの球面調和関数でＦｉｔして差し引く

MCで求めた望遠鏡応答

実際の観測だとインド１地点の観測であるため、時刻による変動がこれに加わる。

観測では時系列変動の項として時刻に対して一次で依存をする項を、全球の変動として加えている。

GSE longitude 270 ^o –360 ^o .(IMF direction) に残った残差

もし異方性があればここのマイナス側に分布が現れる。

GSE longitude in 0 ^o to 270 ^o を背景の異方性の評価に使う。

球面調和関数 (<2 ^nd ) and 時系列変動 αT

背景にある異方性（低次）の考慮（実例１）

GSE longitude 270 ^o –360 ^o .(IMF direction) に残った残差

もし異方性があればここのマイナス側に分布が現れる。

GSE longitude in 0 ^o to 270 ^o を背景の異方性の評価に使う。

背景にある異方性（低次）の考慮（実例２）

Σｄとして -0.35%以下の残差を示した方向の残差の和を取る。

Forbush Decrease の変動量分布にＰＤが観測されたイベントを重ねる

ＰＤの振幅と後続のＦＤの変動量との比較