[論文レビュー] DAMPE space mission: first data

F. Gargano|arXiv (Cornell University)|Jan 18, 2017

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 3

ひとこと要約

2015年12月に打ち上げられたDAMPE宇宙ミッションは、大容量（0.3 m²sr）、深さ32放射長のBGOフルオレスタン・カルオリメータ、および電子/陽子分離用のマルチレイヤー検出器を備え、数GeVから100 TeVまでの高精度な宇宙線スペクトルを測定する。初期の軌道上データは、形状パラメータと中性子検出を用いてレプトンのショワとハドロンのバックグラウンドを区別することで、陽子の遮断能力が10⁵を超える優れた検出器性能を示している。

ABSTRACT

The DAMPE (DArk Matter Particle Explorer) satellite was launched on December 17, 2015 and started its data taking operation a few days later. DAMPE has a large geometric factor ($\sim~0.3\ m^2\ sr$) and provides good tracking, calorimetric and charge measurements for electrons, gammas rays and nuclei. This will allow precise measurement of cosmic ray spectra from tens of $GeV$ up to about $100\ TeV$. In particular, the energy region between $1-100\ TeV$ will be explored with higher precision compared to previous experiments. The various subdetectors allow an efficient identification of the electron signal over the large (mainly proton-induced) background. As a result, the all-electron spectrum will be measured with excellent resolution from few $GeV$ up to few $TeV$, thus giving the opportunity to identify possible contribution of nearby sources. A report on the mission goals and status is presented, together with the on-orbit detector performance and the first data coming from space.

研究の動機と目的

• 数GeVから数TeVの全電子スペクトルを、類似するエネルギー分解能と低バックグラウンドで未だかつてない精度で測定すること。
• 高エネルギー電子および陽電子の精密測定を通じて、ダークマターの兆候を同定すること。
• ボロン/炭素比やスペクトルの硬化現象を含め、100 TeVまでの宇宙線の組成およびエネルギースペクトルを研究すること。
• 統合されたカルオリメータ、トラッキング、および中性子検出技術を用いて、ハドロンのバックグラウンドを高効率に遮断すること。
• DAMPE検出器システムの軌道上での性能を検証し、3年以上にわたる科学運用のための長期的安定性を確保すること。

提案手法

• DAMPE衛星は、電荷測定およびアンチコインシデンスに用いられるプラスチックシンチレーター配列（PSD）を備え、Z=26までの元素識別を可能にしている。
• 12枚のシリコン・タングステントラッカー（STK）と3枚のタングステンコンバーター層により、高精度な粒子軌跡再構築とガンマ線のペア生成を実現している。
• 308本のシンチレーター棒を有する32放射長のBGOカルオリメータは、高分解能でショワプロファイルとエネルギー損失を測定し、電磁的ショワとハドロン的ショワの分離を可能にしている。
• 10Bを含むプラスチックシンチレーターを用いた中性子検出器（NUD）は、ハドロンショワから生成される熱化中性子を検出することで、ハドロン遮断性能を向上させている。
• BGO層のプロファイルから算出される形状パラメータFᵢ = spreadᵢ × (Eᵢ/E_tot) を用いて、レプトン的ショワとハドロン的ショワを区別している。
• 70 Hzのトリガレートで、タイムスタンプ付きイベントパckagingを用いて、軌道上でのキャリブレーションとデータ送信が行われ、再構成後には1日あたり約100 GBのデータ出力が得られている。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 DAMPEは1–100 TeVエネルギー範囲において、10⁵を超える電荷分離能力を達成できるか？
• RQ2 10 GeVから数TeVの全電子スペクトル測定の精度はどの程度で、近隣の天体物理学的源に由来するスペクトル特徴を明らかにできるか？
• RQ3 エネルギーキャリブレーション、指向精度、バックグラウンド抑制の観点から、DAMPE検出器システムの軌道上での性能はどの程度か？
• RQ4 BGOカルオリメータとNUDシステムは、過去の実験と比較して、どの程度ハドロンショワの遮断性能を向上させられるか？
• RQ5 3年間の運用で期待されるボロン/炭素比および宇宙線スペクトルの測定結果は何か？

主な発見

• DAMPE検出器システムは、運用開始から安定した状態にあり、温度、ノイズ、空間分解能、効率といった性能パラメータが打ち上げ前の予測と一致している。
• 地球磁気圏のカットオフを用いた検証により、BGOカルオリメータの絶対的エネルギースケールが正当化され、正確なエネルギーキャリブレーションが確認された。
• 軌道上データを用いた検証により、機器の絶対的指向精度が正常に確認された。
• 165日分のガンマ線データに基づく初期の高エネルギー天の川天球マップは、主要なガンマ線源の正確な位置を示している。
• 10日間のデータで鉄（Z=26）までの宇宙線の電荷測定が成功裏に実施され、元素間の明確な分離が得られた。
• 初期の結果では、BGO層13および14の最後の2層からの形状パラメータを用いて、電子/陽子分離の遮断能力が10⁵を超えることが示された。