[論文レビュー] High-energy electron observations by PPB-BETS flight in Antarctica

S. Torii, T. Yamagami+24 more|ArXiv.org|Sep 4, 2008

Photocathodes and Microchannel Plates被引用数 102

ひとこと要約

本研究では、南極上空で13日間の長時間気球飛行中に、シンチレーティング繊維と lead プレートを備えたイメージング・カルオリメータである PPB-BETS 衛星を用いて高エネルギー電子観測を実施した。100 GeV 以上の電子の到着方向について初めて測定され、等方的であることが確認された。10〜800 GeV のエネルギー範囲でスペクトル指数 -3.05 ± 0.05 のべき乗則エネルギースペクトルが得られ、300 GeV の近くにスペクトル構造の可能性があることが示唆された。

ABSTRACT

We have observed cosmic-ray electrons from 10 GeV to 800 GeV by a long duration balloon flight using Polar Patrol Balloon (PPB) in Antarctica. The observation was carried out for 13 days at an average altitude of 35 km in January 2004. The detector is an imaging calorimeter composed of scintillating-fiber belts and plastic scintillators inserted between lead plates with 9 radiation lengths. The performance of the detector has been confirmed by the CERN-SPS beam test and also investigated by Monte-Carlo simulations. New telemetry system using a commercial satellite of Iridium, power supply by solar batteries, and automatic level control using CPU have successfully been developed and operated during the flight. From the long duration balloon observations, we derived the energy spectrum of cosmic-ray electrons in the energy range from 100 GeV to 800 GeV. In addition, for the first time we derived the electron arrival directions above 100 GeV, which is consistent with the isotropic distribution.

研究の動機と目的

• 長時間気球飛行を用いて、100 GeV 以上の宇宙線電子のエネルギースペクトルを測定すること。
• 100 GeV 以上の高エネルギー電子の到着方向を、初めて測定すること。
• 近接する超新星残骸や WIMP ダークマターの消失によるスペクトル構造を探索すること。
• 長時間気球ミッションに適した、より優れたテレメトリ、電力、制御を備えた新しい検出器システムの妥当性を検証すること。

提案手法

• PPB-BETS 検出器は、36本のシンチレーティング繊維ベルト、9個のプラスチックシンチレーター、14枚の lead プレート（合計9個の放射長）を用いてイメージング・カルオリメータを構成した。
• 2本の直交する繊維ベルトからの2次元シャワー分布とエネルギー損失測定値を用いて、電子シャワーを再構築した。
• Iridium 衛星と太陽電池で駆動するバッテリーを用いた新しいテレメトリシステムにより、連続的なデータ送信と自律運転が可能になった。
• 姿勢決定には太陽および地球磁気アスペクトセンサを用い、方向性の正確さを向上させるために IGRF モデル補正を施した。
• 観測されたイベントレートをべき乗則モデルにフィットさせることでエネルギースペクトルを導出し、シャワー像によるバックグラウンド除去を実施した。
• シャワー軸を用いて到着方向を再構築し、約 0.5° の分解能を得た。等方性との整合性を確認した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 100 GeV 以上の高エネルギー電子スペクトルに、近接する超新星残骸に起因するスペクトル構造が見られるか？
• RQ2 高エネルギー宇宙線電子は、エネルギー損失と磁場による偏光のため、予想通りに非等方的分布を示すか？
• RQ3 長時間気球ミッションが、陽子フラックスの 0.2% 未満の電子フラックスを検出するのに十分な統計的精度とバックグラウンド除去性能を達成できるか？
• RQ4 100 GeV 以上の電子の到着方向は、標準的伝搬モデルが予測するように等方的であるか？

主な発見

• 10〜800 GeV の電子エネルギースペクトルは、スペクトル指数 -3.05 ± 0.05 の単一べき乗則でよく記述され、自由度11のカイ二乗の値は 1.605 であった。
• スペクトルは300 GeV の近くに可能性のあるスペクトル構造を示しており、以前の ATIC-2 測定結果と整合的であり、近接する天体源や WIMP による消失の兆候を示唆している。
• 100 GeV 以上の電子の到着方向は、等方的分布と整合的であり、統計的誤差の範囲内で顕著な非等方性は検出されなかった。
• CERN-SPS ビーム実験およびモンテカルロシミュレーションを通じて、検出器の性能が確認され、エネルギーおよび方向再構築の妥当性が裏付けられた。
• 新しいテレメトリ、電力、制御システムにより、南極での35 km の高度で13日間の連続運用が成功裏に達成された。
• PPB-BETS と BETS のスペクトルを統合した結果、100 GeV におけるフラックスは (1.82 ± 0.13) × 10⁻⁴ m⁻²s⁻¹sr⁻¹GeV⁻¹ であり、外挿モデルと整合的であった。