Gamma Ray Astronomy at Highest Energy in the Southern Hemisphere

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本課題研究は、南米ボリビア・チャカルタヤ山中腹（標高4,740 m）で建設中の空気シャワー観測装置（ALPAQUITA）に、広いダイナミックレンジの光電子増倍管（Low-gain PMT）を追加し、高エネルギー領域（sub-PeV～10 PeV超）でのエネルギー決定精度を劇的に向上させ、南半球の空を低バックグラウンド且つ広視野で、10 PeV（10の16 乗電子ボルト）を超えるガンマ線を観測し、最高エネルギーガンマ線天体を世界最高感度で探索することを目標とする。本研究により、未開拓の PeV を超えるガンマ線の検出に成功すれば、銀河系内で発生している最もエネルギーの高い宇宙線の起源解明につながる成果となる。ガンマ線の検出方法は、空気シャワー中のミューオン成分を測定することで実現する。原子核宇宙線の作る空気シャワーでは大気上層でパイ中間子を介しミューオンが多数発生するが、ガンマ線が作る空気シャワーはほぼ純粋なガンマ線と電子からなる電磁カスケードを形成し、ミューオンをほとんど含まない。このような空気シャワーの特性を利用し、空気シャワー中のミューオン数を測定することで、ガンマ線とバックグランドとなる原子核宇宙線の選別を可能にする。また、現在のALPAQUITAでは、各空気シャワー粒子検出器に1本しか光電子増倍管が装備されていないため、高エネルギーガンマ線によって生じた空気シャワーでは、シャワー中心付近の検出器は粒子数が飽和してしまってエネルギー決定精度が下がってしまう。本課題研究で目指すPeV を超える空気シャワーについては多数の検出器が飽和状態となり検出できない。これを改善するために、ダイナミックレンジの広いPMTを追加し、一つの検出器で5,000粒子程度までの測定を可能にする。これによって、数100 TeV のガンマ線だけでなく10 PeV を超える宇宙線の観測も可能となる。