[論文レビュー] Balloon-borne gamma-ray telescope with nuclear emulsion : overview and status

Shigeki Aoki, Tsutomu Fukuda+29 more|arXiv (Cornell University)|Feb 12, 2012

Nuclear Physics and Applications被引用数 6

ひとこと要約

本論文では、電子対の追跡により、宇宙線ガンマ線の高精度な角度分解能および偏光測定を実現する、核乳酸膜を用いた高圧力気球搭載ガンマ線望遠鏡を提案する。望遠鏡は、時間スタンプのためのマルチステージシフター、コンバーターおよびカルオリメータとしての乳酸膜スタック、姿勢監視のためのスターカメラを備え、現在のスキャン能力は2.6 m²·フライト/年であり、将来的には81 m²·フライト/年を予想している。

ABSTRACT

Detecting the first electron pairs with nuclear emulsion allows a precise measurement of the direction of incident gamma-rays as well as their polarization. With recent innovations in emulsion scanning, emulsion analyzing capability is becoming increasingly powerful. Presently, we are developing a balloon-borne gamma-ray telescope using nuclear emulsion. An overview and a status of our telescope is given.

研究の動機と目的

• 核乳酸膜を用いた気球搭載ガンマ線望遠鏡の開発を目的とし、高エネルギー宇宙ガンマ線の方向および偏光を測定すること。
• 従来の乳酸膜検出における時間分解能の欠如を克服するため、粒子相互作用の正確な時間スタンプを提供するマルチステージシフターの導入。
• 高効率な自動スキャンシステムによる乳酸膜解析のスループット向上を図り、実用的な観測時間の実現。
• 地上試験を通じて望遠鏡設計の妥当性を検証し、長時間飛行に向けた準備を進める。
• 10 MeVから100 GeVのエネルギー範囲におけるガンマ線源に対して、1度未満の角度分解能および偏光感度を達成すること。

提案手法

• 粒子の三浦的軌跡を記録するため、サブミクロン空間分解能を持つプラスチック基板にコーティングされた核乳酸膜フィルムをトラッキング媒体として用い、電子対生成による荷電粒子の三次元軌跡を記録する。
• イベントの時間スタンプを提供するために、段階的に乳酸膜フィルムをシフトするマルチステージシフター機構を採用し、2段階で1.5秒までの時間分解能を達成する。
• コンバーター層は、入射ガンマ線から電子対を生成するため、金属箔と交互に積層された乳酸膜フィルムで構成される。
• カルオリメータは、金属プレートと乳酸膜フィルムを用い、数GeV以上のガンマ線エネルギーを電磁シャワー測定によって決定する。
• 754×484ピクセルのCCDとF1.4レンズを備えたスターカメラは、0.14×0.16 mrad²の分解能で姿勢情報を提供し、正確な源方向再構成を可能にする。
• トラック解析には自動乳酸膜スキャンシステムを用い、現在のスループットは600 cm²/時間（2.6 m²·100フィルム/年）であり、将来的には81 m²·100フィルム/年を予想している。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 核乳酸膜を用いた電子対追跡により、高エネルギーガンマ線の方向および偏光を効果的に測定できるか？
• RQ2 マルチステージシフターは、乳酸膜ベースの検出器におけるガンマ線イベントの時間計測に十分な時間分解能を提供できるか？
• RQ3 気球搭載乳酸膜ガンマ線望遠鏡の実現可能な角度分解能およびエネルギー範囲は何か？
• RQ4 乳酸膜スキャンのスループットは、有効観測時間および開口面積にどのように制限を及えるか？
• RQ5 長時間飛行の前に、宇宙線環境下で望遠鏡システムが実際に動作することを確認できるか？

主な発見

• 100 MeVでは0.57°、1 GeVでは0.08°の角度分解能を達成し、ガンマ線源に対して高い方向精度を示した。
• 2段階で構成されるマルチステージシフターは、地上試験で1.5秒の時間分解能を達成し、イベント計測の実現可能性が検証された。
• 最初の飛行モデル（44×22×6 cm、4.7 kg）は、-25°C、1 g/cm²の模擬ストラトスフィア環境下で12時間にわたり故障なく稼働した。
• 2番目の飛行モデル（110×64×10 cm、65 kg）は、環境および運用試験を実施中であり、まもなく飛行適合性を確認する予定である。
• 現在の乳酸膜スキャンシステムでは、1年間に2.6 m²·フライト時間を達成できるが、将来的には81 m²·フライト時間を達成できると予想されている。
• 150時間の飛行時間において、現在のスキャンシステムでは16 m²·日、将来的には506 m²·日を達成可能であり、観測感度が顕著に向上する。