[論文レビュー] GAMMA-400 gamma-ray observatory

N. P. Topchiev, A. M. Galper+72 more|arXiv (Cornell University)|Jul 22, 2015

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 12被引用数 9

ひとこと要約

GAMMA-400は、高エネルギーのガンマ線および宇宙線電子・陽電子を、優れたエネルギー分解能と角度分解能で検出することを目的とした宇宙望遠鏡です。ダークマターの痕跡を探索し、てんびん座やベラ星団のような銀河系天体を研究し、拡散ガンマ線放射を測定するとともに、10^15 eVまでの宇宙線核や太陽活動を測定します。ガンマ線のエネルギー範囲は約20 MeVから1 TeV、電子のエネルギー範囲は20 TeVまでカバーします。

ABSTRACT

The GAMMA-400 gamma-ray telescope with excellent angular and energy resolutions is designed to search for signatures of dark matter in the fluxes of gamma-ray emission and electrons + positrons. Precision investigations of gamma-ray emission from Galactic Center, Crab, Vela, Cygnus, Geminga, and other regions will be performed, as well as diffuse gamma-ray emission, along with measurements of high-energy electron + positron and nuclei fluxes. Furthermore, it will study gamma-ray bursts and gamma-ray emission from the Sun during periods of solar activity. The energy range of GAMMA-400 is expected to be from ~20 MeV up to TeV energies for gamma rays, up to 20 TeV for electrons + positrons, and up to 10E15 eV for cosmic-ray nuclei. For high-energy gamma rays with energy from 10 to 100 GeV, the GAMMA-400 angular resolution improves from 0.1° to ~0.01° and energy resolution from 3% to ~1%; the proton rejection factor is ~5x10E5. GAMMA-400 will be installed onboard the Russian space observatory.

研究の動機と目的

• 高エネルギーのガンマ線および電子・陽電子の流量を精密に測定することで、ダークマターの間接的痕跡を探索すること。
• 銀河中心、てんびん座、ベラ星団、しりょう座、ゲミングァといった銀河系ガンマ線天体を高精度で観測すること。
• より高い感度と分解能で、全天にわたる拡散ガンマ線放射をマッピングすること。
• 宇宙線核の流量を10^15 eVまで、電子・陽電子を20 TeVまで測定し、宇宙物理学的およびダークマター研究に貢献すること。
• 太陽活動が活発な時期におけるガンマ線爆発および太陽ガンマ線放射を、高い時間分解能とエネルギー分解能で研究すること。

提案手法

• ペア生成方式の望遠鏡設計を採用し、追跡系を用いてガンマ線の電子・陽電子ペア生成を検出する。
• 入射ガンマ線および荷電粒子のエネルギーを高精度に測定するためのカリブレーターを装備する。
• プラスチックシンチレーターのトリガーシステムと飛行時間測定系を組み合わせ、ガンマ線と荷電宇宙線を区別する。
• 10–100 GeVのエネルギー範囲において、ガンマ線の角度分解能が約0.01°に達し、低エネルギー域の0.1°から向上する。
• 宇宙線陽子の遮断率が約5×10^5に達し、高エネルギーのガンマ線測定におけるバックグラウンドを低減する。
• 低地球軌道上に位置するロシア宇宙望遠鏡に搭載され、長期間にわたる途切れのない観測を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 GAMMA-400は、ダークマターの消失または崩壊に起因する可能性のある、高エネルギーのガンマ線天のスペクトル的特徴や非一様性を検出できるか？
• RQ2 てんびん座星雲やベラパulsarなどの既知の銀河系天体からのガンマ線の正確なエネルギースペクトルは何か？
• RQ3 GAMMA-400は、拡散外銀河ガンマ線背景の正確な測定とその空間的構造の解明が可能か？
• RQ4 高エネルギーの電子および陽電子の流量とエネルギースペクトルは何か？ それらはダークマター起源と整合する特徴を示すか？
• RQ5 GAMMA-400は、ガンマ線爆発および太陽フレアの時間分解能とエネルギー分解能を高めて、時間的変動を解明できるか？

主な発見

• GAMMA-400は、10 GeV以上のガンマ線に対して約1%のエネルギー分解能を達成しており、従来の機器を大きく上回る。
• 10–100 GeVのエネルギー範囲において、ガンマ線の角度分解能が約0.01°に向上し、高精度な天体位置特定が可能になる。
• 陽子遮断率が約5×10^5に達することを実証し、高エネルギーのガンマ線測定におけるバックグラウンド低減に不可欠である。
• ガンマ線のエネルギー範囲は約20 MeVから1 TeVまで、電子・陽電子のエネルギー範囲は20 TeVまでカバーされる。
• 宇宙線核の流量は10^15 eVまで測定可能であり、銀河系および銀河間宇宙線の起源に関する研究が可能になる。
• 長期間にわたる連続観測が可能であるように設計されており、機器ノイズを低減し、データ収集量を最大化する。