[論文レビュー] Back-Tracing and Flux Reconstruction for Solar Events with PAMELA

A. Bruno, O. Adriani+65 more|arXiv (Cornell University)|Dec 4, 2014

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 8被引用数 8

ひとこと要約

本論文は、PAMELA衛星を用いた太陽高エネルギー粒子（SEPs）のバックトラーシングおよびフラックス再構築手法を提示し、約80 MeVから数GeVのエネルギー範囲でエネルギー分解能を有する方向性フラックス測定を可能にする。IGRF-11およびTS07Dモデルを用いて地球の磁気圏内を通過する粒子の軌道をシミュレートすることで、機器の漸近的受容角を再構築し、2012年5月17日のSEPイベント中に、ピッチ角依存のフラックス非等方的状態を明らかにした。PAMELAはピッチ角0°〜145°をカバーし、IMFと整合する方向性フラックスピークを検出している。

ABSTRACT

The PAMELA satellite-borne experiment is providing first direct measurements of Solar Energetic Particles (SEPs) with energies from $\sim$80 MeV to several GeV in near-Earth space. Its unique observational capabilities include the possibility of measuring the flux angular distribution and thus investigating possible anisotropies related to SEP events. This paper focuses on the analysis methods developed to estimate SEP energy spectra as a function of the particle pitch angle with respect to the Interplanetary Magnetic Field (IMF). The crucial ingredient is provided by an accurate simulation of the asymptotic exposition of the PAMELA apparatus, based on a realistic reconstruction of particle trajectories in the Earth's magnetosphere. As case study, the results of the calculation for the May 17, 2012 event are reported.

研究の動機と目的

• PAMELA衛星が測定した太陽高エネルギー粒子（SEPs）の方向性フラックスを、高い角度分解能で再構築する手法を開発すること。
• 低エネルギーのイン・サイト測定と高エネルギーの地上レベル増強（GLEs）の間のエネルギーギャップを埋めるために、SEPsを約80 MeVから数GeVの範囲で測定すること。
• 惑星間磁場（IMF）に対する到着方向の漸近的関係を特定することで、SEPイベントにおけるフラックス非等方的状態を調査すること。
• 軌道運動および宇宙船の姿勢に伴い変化するPAMELA機器の幾何的露出を補正することで、正確なフラックス推定を可能にすること。
• 方向性フラックス測定から太陽成分を分離するために、等方的銀河宇宙線（GCR）背景を差し引くこと。

提案手法

• 地球内部（IGRF-11）および外部（TS07D）磁場の現実的なモデルを用いて、PAMELA検出器から粒子軌道をバックトラースすることで、その漸近的到達方向を特定する。
• 宇宙船の姿勢および軌道動力学を考慮して、磁気圏内を通過する粒子の経路をシミュレートし、各軌道位置における漸近的受容コーンを計算する。
• 粒子の到達ピッチ角および剛性に応じた機器の露出を反映する有効面積関数 H(R, α, t) を用いて、粒子数を重みづけする。
• 式（12）に示す微分フラックス式を適用し、時間、剛性、ピッチ角のビンごとの統合露出で合計カウントを正規化する。
• 事前データを用いて、全フラックス（Φ_tot(R, α)）から等方的GCRフラックス（Φ_GCR(R)）を差し引くことで、太陽成分（Φ_SCR(R, α)）を分離する。
• 統計的および系統的不確実性を、ポisson信頼区間および角度分解能バイアスのシミュレーション（実験的分解能と等しい分散をもつガウス分布）を用いて推定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 機器の露出が時間および姿勢に応じて変化する状況下で、イン・サイト測定からSEPsの方向性フラックスをどのように再構築できるか。
• RQ2 IMFに対してSEPsの角度分布はどのように変化するのか。また、太陽イベント中にその分布はどのように変化するか。
• RQ3 PAMELA機器の時間変化する幾何的露出をどれほど正確にモデル化できるか。これにより、エネルギーおよび方向分解能を有するフラックススペクトルが回復可能か。
• RQ4 主要な太陽イベント中、SEPsのフラックス非等方的状態は、IMFの方向および粒子の剛性とどのように関係しているか。
• RQ5 方向性SEP解析における背景差し引きに、銀河宇宙線背景の等方的性を信頼して仮定できるか。

主な発見

• 2012年5月17日のイベント中、PAMELA機器はピッチ角約0°〜145°をカバーしており、02:14〜02:18 UTにIMF方向と一致する最高感度を示した。
• 漸近的受容コーンは軌道位置に応じて変化し、GEOおよびGSE座標系の両方で計算された。これは、宇宙船の位置および姿勢に強く依存していることを示している。
• エネルギー分解能を有する方向性フラックスが約80 MeVから数GeVの範囲で再構築され、SEPイベント中の非等方的状態の詳細な解析が可能になった。
• GCR背景は実験的不確実性の範囲内で等方的であると判明し、全ピッチ角ビンに対して一様なΦ_GCR(R)値を用いた背景差し引きが正当化された。
• 再構築されたフラックスは明確な方向性強度を示し、特定の剛性において垂直に入射するプロトン（ピッチ角〜0°）に対応するフラックスピークが観測された。
• 本手法により、統計的および系統的不確実性を定量的に評価した微分方向フラックスΦ_SCR(R, α)が成功裏に導出され、今後のSEPイベント解析に堅牢なフレームワークを提供した。