ワシントン広域時間同時観測アレイ

ワシントン地域大規模タイムコインシデンスアレイ（WALTA）は、超高エネルギー宇宙線（>10 ¹⁹ eV）を調査するためにワシントン大学が実施している宇宙線物理学実験です。このプログラムでは、シアトル地域の高校や大学に設置された検出器を使用してインターネットで接続し、事実上、広域空気シャワーアレイを形成します。超高エネルギー宇宙線（UHECR）フラックスの原因不明のレベルの調査に加えて、大学レベルの物理学実験で高校やコミュニティカレッジの物理学への関与を高める教育ツールとして機能することが期待されています。各サイトには3～4台のシンチレーション検出器があり、シアトル市周辺の200 km ^{2 のエリアをカバーするのに十分なサイトを持つことが目標です。WALTAは、より大規模なNALTA [1]}プロジェクトの一部であり、WALTAのような複数のプロジェクトのデータを組み合わせてUHE宇宙線の調査を進めることを目的としています。

宇宙線は地球の大気圏に降り注ぐ高エネルギー粒子です。^[2]これらの約 89% は陽子です。^[3] 宇宙線のフラックスは、おおよそ 1/(E ^a ) に比例します。ここで、E はエネルギー、a は UHECR 限界までの 2 から 3 の間のどこかです。銀河系で生成された約 10 ¹⁸ eV 未満のエネルギーを持つ宇宙線は、銀河の磁場によって捕捉されます。それ以上の粒子は逃げ出すはずなので、高エネルギー宇宙線は銀河系外から来ると考えられます。Greisen、Zatsepin、Kuzmin ( GZK ) カットオフによれば、10 ²⁰ eVを超える銀河間宇宙線は、パイ中間子生成と対生成により、宇宙マイクロ波背景放射によって吸収されるはずです。パイオン生成では、10 ²⁰ eVを超える陽子 (UHECR)は CMBR と相互作用してパイオンを生成するのに十分なエネルギーを持ち、10 ¹⁷ eV を超える陽子は対生成からの電子陽電子対と相互作用するのに十分なエネルギーを持ちます。これらの相互作用により、銀河系外の UHECR は地球に到達するにはエネルギーを失いすぎます。^[4] 物理学者は 1963 年以来、このレベルのエネルギーを持つ宇宙線を観測しています^[5] 一部の宇宙線実験では、GZK 予測を超える UHECR レベルが観測されたと主張していますが^[6]、他の実験では予測とほぼ同等のレベルが検出されたと主張しています^[7] このような矛盾する実験が、UHECR のさらなる研究、ひいては WALTA のような実験の動機となっています。

地球の大気圏に衝突する宇宙線は、陽子のまま地球の表面に到達することはあまりありません。その代わりに、宇宙線は大気粒子の核と相互作用して、空気シャワーと呼ばれる粒子のカスケードを引き起こします。結果として生じる粒子の数は宇宙線のエネルギーを示し、粒子の種類と分布の詳細は宇宙線の種類（陽子、ガンマ線など）を示します。^[8] UHE宇宙線による空気シャワーの前面は数平方キロメートルを覆うことがあるため、非常に大きな検出器か、複数の検出器を分散して設置する必要があります。これらの検出器は相互に通信するか、同じイベントからのシャワーをいつ検出したかを判断できる中央ソースと通信する必要があります。WALTAはシアトルの地元学校にいくつかのシンチレーターを設置し、UHECRイベントを記録するために必要なエリアをカバーしています。

WALTA の目標は、シアトル地域の少なくとも 32 か所に検出器を設置し、200 平方キロメートルのエリアをカバーすることです。^[9] このエリアは、GZK カットオフを超えるイベントを検出するのに十分な大きさです。このプログラムでは、プロジェクトが成熟するにつれて、このエリアのギャップを埋めたいと考えています。各場所には、荷電粒子が当たると光を発するシンチレーション検出器が 4 つあります。各パドル検出器は約 1 インチの厚さで、約 1 平方メートルをカバーします。各サイトでは、理想的には、検出器を星型に配置し、中央に 1 つの検出器、その周囲に半径 10m ^{2の円上に 3 つの検出器を配置します。この配置により、各サイトで 10 15} eV イベントを検出できます。 ^[9] 各サイトは、サイトの独自の地形を考慮して、このレイアウトを可能な限り試します。各検出器には、放出された光を大きな電気信号に増幅する光電子増倍管があります。各検出器パドルからの信号は、特定の一致に基づいてイベントを記録するように設定されたデータ取得カード (DAQ) に送られます。 DAQ カードには GPS 入力もあります。このカードの出力はシリアル ポートを使用してコンピューターに接続され、ソフトウェアが GPS 位置とタイム スタンプを使用してデータをカウントします。サイトはデータを WALTA サーバーにアップロードし、データを比較して同じシャワーからイベントが発生したかどうかを確認できます。イベントのタイミングとカバーされたエリアから、宇宙線が地球の大気圏に衝突した場所とエネルギーがわかります。

AGASAなどの実験では、GZKのカットオフに従って予想されるよりも多くのUHECRの数が示されているが、ピエール・オーゲール共同研究などの他の実験では、UHECRのスペクトルはGZKによって予測された減少に適合していると主張している。^[10] GZKに基づくと、UHECRは銀河から100 Mpc以内で発生する必要があるが、銀河の3マイクロガウスの磁場から逃れることができる。また、UHECRの銀河系内発生源は知られていない。それらは銀河系外から来ており、未知の物理学によってGZK理論を克服できるか、あるいは未知の銀河系発生源から来ている可能性がある。それらは物質から発生し、銀河間磁場ラーモア半径内にある、またはコンパクトな電波クエーサーに関連しているという示唆もある。^[11] これらの実験は、より大規模なデータセットにつながるUHECRのさらなる調査を動機づけている。 WALTA はシアトル地域の大部分をカバーする予定であり、北米のいくつかのサイトをカバーするより大規模な NALTA と連携する予定です。

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