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シミュレーション計算による CALET 搭載装置の軌道上性能検証. 早大理工研,東大宇宙線研 A ,芝浦工大 B ,神大工 C ,横国大工 D , JAXA/SEUC E 仁井田多絵,鳥居祥二,笠原克昌,小澤俊介, 中川友進,植山良貴,九反万里恵,中村政則, 吉田圭祐,渡辺 仁規,赤池陽水 A ,吉田健二 B , 田村忠久 C ,片寄祐作 D ,清水雄輝 E ,他 CALET チーム. 13aSP-1. CALET 計画概要. CALET (CALorimetric Electron Telescope) 高エネルギー宇宙線観測装置 - PowerPoint PPT Presentation
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2012.09.13 JPS2012秋季大会@京都産業大学 1
シミュレーション計算によるシミュレーション計算によるCALETCALET 搭載装置の軌道上性能検証搭載装置の軌道上性能検証
早大理工研,東大宇宙線研 A ,芝浦工大 B ,神大工 C ,横国大工 D ,
JAXA/SEUCE
仁井田多絵,鳥居祥二,笠原克昌,小澤俊介,中川友進,植山良貴,九反万里恵,中村政則,
吉田圭祐,渡辺 仁規,赤池陽水 A ,吉田健二 B ,田村忠久 C ,片寄祐作 D ,清水雄輝 E ,他 CALET チーム
13aSP-1
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CALETCALET 計画概要計画概要CALET (CALorimetric Electron Telescope)
高エネルギー宇宙線観測装置 ISS 日本実験棟曝露部にて5年間の観測を予定
観測対象: 電子 1GeV~20TeV, γ 線 10GeV~10TeV
原子核 数 10GeV~1000TeV
Japanese Experiment Module (Kibo)
International Space Station
Cosmic Ray Sources
Dark Matter annihilation or decay
electrongammanucleus
e- & e+
2gamma
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CALETCALET 装置構成装置構成
IMC ( IMaging Calorimeter ) シンチファイバー (SciFi )を 448 本ずつ XY 交互に積層 間にタングステンを挿入(全 8 層、 3r.l. ) → 粒子の飛跡再構成TASC ( Total AbSorption Calorimeter ) PWO を 16 本ずつ XY 交互に積層(全 6 層、 27r.l. ) → エネルギー決定、粒子識別
CHD ( CHarge Detector ) プラスチックシンチレーターを 14 本ずつ XY 交互に積層 → 入射粒子の電荷測定
★ 高密度で放射長の短い PWO を使用 → 高エネルギーまで高精度でエネルギー決定★ IMC による飛跡再構成+ TASC のシャワー形状 → 高精度で粒子識別(バックグラウンド除去)
448 cm
cm
cm
320 cm
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搭載モデル搭載モデル
CALET 搭載モデルを模擬した構造をシミュレーションで構築 シンチレーティングファイバーの不感領域
IMC 層間のハニカム構造 PWO の面取り構造
搭載モデルの性能検証
PWO 面取り構造(模式図)IMC 層間の Al ハニカ
ム
SciFi 不感領域(クラッド)
IMC
TASC
CHD
電子の検出効率・エネルギー分解能 原子核の検出効率・エネルギー分解能 到来方向決定精度 粒子識別性能
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シミュレーション条件シミュレーション条件
イベント入射条件 検出器上面より一様等方入射
シャワー軸の幾何条件 4 種類の幾何条件でイベントを選別
トリガー条件High energy shower
All particles
>10GeVIMC7,8 層目&TASC1 層目
Low energy shower
e± >1GeVCHD&IMC1~8 層目 &TASC1 層目
HeavyNuclei (Z>10)
>Rigidity cutoff
CHD&IMC1~4 層目
幾何条件 (1) 幾何条件 (2) 幾何条件 (3) 幾何条件 (4)
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検出効率
エネルギー分解能
100%
電子に対する検出効率・エネルギー分解能電子に対する検出効率・エネルギー分解能
電子 1TeV
幾何条件 (1)
幾何条件 (4)
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陽子 10TeV
原子核成分に対する検出効率・エネルギー分解能原子核成分に対する検出効率・エネルギー分解能
エネルギー分解能( TASC4 層以上で衝突)
検出効率( high energy shower trigger ) p
He
C
Si
Fe
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到来方向決定精度到来方向決定精度
IMC のシャワーコアを用いてシャワー軸を再構成IMC 下層でシャワーコアを検出IMC 上層の情報を加味してシャワー軸を再構成
IMC で正しいシャワーコアを検出するのが困難なイベント(斜め入射、後方散乱の影響など)は、TASC の情報も使用することで、角度分解能向上
68%
γ 線 100GeV電子 10GeV
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電子観測の際の陽子バックグラウンド
Cosmic-ray electrons
Cosmic-rayprotons
a few electrons/ cm2 sr day
a few electrons/ m2 sr day
スペクトルのべき指数 : e:~-3.0 p:~-2.7
電子・陽子フラックス比 : 1:100 @ 10GeV 1:1000 @ 1TeV
陽子の混入率を数% 以下に抑えるためには、 105程度の陽子除去性能が必要
電子 1TeV 陽子 2.9TeV
シャワー発達の違いを用いて電子識別横方向の広がり ・・ 電子 ~ 1RM (~2cm) 以内に90% 陽子 ~ RM 以上縦方向の発達 ・・ 電子 ~ TASC内で全吸収 陽子 ~ TASC内吸収は 4割程度
電子電子 // 陽子識別性能陽子識別性能
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Xi : シャワー軸中心 ΔEi,j : i 層 j番目の PWOの エネルギー損失量
シャワーの横拡がり
エネルギー損失比
シミュレーションイベントを生成 ― 電子: 1TeV, 2.0x105 イベント ― 陽子: 1~1000TeV (E-
2.7dE) 7.4x105 イベント
Step 3.
TASC における横拡がりとエネルギー損失比の相関から電子を選別
Step 2.
入射エネルギーを推定し、電子が 95%残るエネルギー範囲を選別
Step 1.
Preliminar
y
トリガー条件( High Energy Shower)→70% の陽子を除去
電子電子 // 陽子識別性能陽子識別性能
electrons
protons
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Step 4.
IMC における横拡がりを用いて TASC で反応した陽子を除去
Step 5.
IMC1層目のエネルギー損失量を用いて CHD で反応した陽子を除去
TeV 領域における陽子除去能 : ~ 1.0 x 105 (電子 70% 取得)
電子電子 // 陽子識別性能陽子識別性能
2012.09.13 JPS2012秋季大会@京都産業大学 12
電子に対する観測性能• エネルギー分解能 : < 1.5% (>100GeV)• 陽子除去能 : ~ 1.0 x105 (@TeV)
ガンマ線に対する観測性能• エネルギー分解能 : < 3.5% (>10GeV)• 角度分解能 : ~0.3deg (> 10GeV)
原子核成分に対する観測性能 (TASC4 層以上で最初の相互作用 )
― 検出効率・ H : 19 ~ 40 % (0.1~100 TeV)・ He : 27 ~ 50 % (0.1~100 TeV)・ C : 43 ~ 66 % (0.1~100 TeV)・ Si : ~ 71 % ( 1~100 TeV)・ Fe : ~ 71 % ( 1~100 TeV)
― エネルギー分解能・ H : 32 ~ 41 % (0.1 ~ 100 TeV)・ He : 28 ~ 37 % (0.1 ~ 100 TeV)・ C : 25 ~ 40 % (0.1 ~ 100 TeV)・ Si : 30 ~ 40 % ( 1 ~ 100 TeV)・ Fe : 20 ~ 37 % ( 1 ~ 100 TeV)
まとめまとめ
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EndEnd
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原子核成分に対する検出効率・エネルギー分解能原子核成分に対する検出効率・エネルギー分解能 検出効率( TASC4 層以上で衝突)
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電子電子 // 陽子識別性能陽子識別性能
幾何条件 (1) 幾何条件 (2)
幾何条件 (3) 幾何条件 (4)
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混入陽子イベントの衝突位置: CHD ( 2 イベント)→IMC1 層目のエネルギー損失量で除去 IMC ( 9 イベント) TASC ( 1 イベント)→IMC の横拡がりで除去
CHD で衝突した陽子
IMC で衝突した陽子
電子電子 // 陽子識別性能陽子識別性能