[論文レビュー] Compton-Pair Production Space Telescope (ComPair) for MeV Gamma-ray Astronomy

A. A. Moiseev, M. Ajello+12 more|arXiv (Cornell University)|Aug 28, 2015

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 6被引用数 28

ひとこと要約

ComPairは、200 keV–500 MeVの範囲でCOMPTELに比べ20–50倍の感度向上を実現する、MeVガンマ線天文に最適化されたMIDEXスケールの宇宙望遠鏡を提案する。二重検出方式を採用し、1台の機器でコンプトン散乱と電子・陽電子対生成を併用することで、SiストリップおよびCdZnTeストリップ検出器といった成熟した宇宙飛行実証済み技術を活用し、高い角度分解能およびエネルギー分解能を達成。偏光および連続スペクトル源への感受性が実証済みである。

ABSTRACT

The gamma-ray energy range from a few hundred keV to a few hundred MeV has remained largely unexplored, mainly due to the challenging nature of the measurements, since the pi- oneering, but limited, observations by COMPTEL on the Compton Gamma-Ray Observatory (1991-2000). This energy range is a transition region between thermal and nonthermal processes, and accurate measurements are critical for answering a broad range of astrophysical questions. We are developing a MIDEX-scale wide-aperture discovery mission, ComPair (Compton-Pair Production Space Telescope), to investigate the energy range from 200 keV to > 500 MeV with high energy and angular resolution and with sensitivity approaching a factor of 20-50 better than COMPTEL. This instrument will be equally capable to detect both Compton-scattering events at lower energy and pair-production events at higher energy. ComPair will build on the her- itage of successful space missions including Fermi LAT, AGILE, AMS and PAMELA, and will utilize well-developed space-qualified detector technologies including Si-strip and CdZnTe-strip detectors, heavy inorganic scintillators, and plastic scintillators.

研究の動機と目的

• COMPTEL以降、技術的制限によりほとんど未開拓であったMeVガンマ線宇宙探査の長年の空白を埋める。
• 1台の機器でコンプトン散乱および対生成事象の両方を高感度で検出する課題を克服する。
• 30–100 MeVの範囲でCOMPTELに比べ20–50倍、EGRETに比べ5–10倍の感度向上を達成する。
• 統合的かつスケーラブルな機器設計により、0.2–500 MeVの範囲で光子エネルギー、方向、偏光を正確に測定する。
• 重畳エネルギー範囲（5–100 MeV）におけるコンプトンおよび対生成事象の相互検証により、系統的誤差を低減する。

提案手法

• コンプトン散乱および対生成から生じる電子および陽電子の軌跡を検出するため、マルチレイヤーのシリコンストリップトラッカーを用いる。
• 堆積エネルギーおよび相互作用位置を測定するため、CdZnTeストリップ（CZT）および無機シンチレーター（例：CsI(Tl)）からなる遮へい器を採用する。
• 宇宙環境由来の荷電粒子背景を低減するため、プラスチックシンチレーター遮へい器（ACD）を統合する。
• コンプトン事象（散乱光子のエネルギーおよび方向を用いる）と対生成事象（電子・陽電子の軌跡を用いる）のそれぞれに別々の再構成アルゴリズムを実装する。
• エネルギー分解能のモデル化には、次の式を用いる：cos Θ = (mₑc²) / (E₂ + mₑc²) × (E₁ + E₂) / E₁（ここで mₑc² = 511 keV）。
• 被動的タングステンコンバータを排除することでトラッカーを最適化し、ポイントスプレッド関数（PSF）を向上させるとともに、偏光測定を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 0.2–500 MeVの範囲で、1台の機器がコンプトン散乱および対生成事象の両方を高感度で効果的に検出可能かどうか。
• RQ2 コンプトンおよび対生成事象再構成の組み合わせが、MeVガンマ線測定における系統的誤差をどの程度低減できるか。
• RQ3 低質量で高分解能のトラッカーおよび高度なシンチレーター遮へい器を用いた場合、MeV帯でどの程度の感度およびエネルギー分解能が達成可能か。
• RQ4 ComPairは、クルーブスパルサーなどの明るい源からの偏光をどの程度正確に測定できるか。
• RQ5 1–100 MeVエネルギー範囲において、COMPTELおよびEGRETに比べてどの程度の感度向上が期待されるか。

主な発見

• 20 MeV未満では2–5%、100 MeVでは約12%のエネルギー分解能を達成。シャワー形状再構成を考慮しない保守的見積もりに基づく。
• 有効面積は10 MeV以上で200–1200 cm²、10 MeV未満で50–250 cm²に達し、ターゲットエネルギー範囲全域で高い感度を実現。
• 30 MeV未満ではCOMPTELに比べ20–50倍、30–100 MeV帯ではEGRETに比べ5–10倍の点源感度向上を達成。
• 1 MeVで約6°、10 MeVで約10°、100 MeVで約1.5°の角度分解能を達成。源の局在化が著しく向上。
• 1か月間の観測で、クルーブスパルサーからの20%線形偏光を30%の精度で検出可能（測定された非対称パラメータλ = 0.2を仮定）。
• 系統的誤差推定では、最大5倍の高い背景が想定され、感度は図8の主曲線の上側に示された領域（グレーの領域）として提示されている。