[論文レビュー] The GAMMA-400 space observatory: status and perspectives

A. M. Galper, V. Bonvicini+65 more|arXiv (Cornell University)|Dec 13, 2014

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 9

ひとこと要約

GAMMA-400宇宙望遠鏡は、100 MeVから3 TeVのエネルギー範囲におけるガンマ線および宇宙線の研究を目的として設計されており、ダークマター、高エネルギー天体的源、およびカニーエリアにまで及ぶ宇宙線スペクトルの調査が可能になる、優れた角度分解能およびエネルギー分解能を有する。その特異な高度楕円軌道から円軌道に移行する軌道により、全天カバーが可能となり、ガンマ線線および高統計の荷電粒子の最適検出が実現される。

ABSTRACT

The present design of the new space observatory GAMMA-400 is presented in this paper. The instrument has been designed for the optimal detection of gamma rays in a broad energy range (from ~100 MeV up to 3 TeV), with excellent angular and energy resolution. The observatory will also allow precise and high statistic studies of the electron component in the cosmic rays up to the multi TeV region, as well as protons and nuclei spectra up to the knee region. The GAMMA-400 observatory will allow to address a broad range of science topics, like search for signatures of dark matter, studies of Galactic and extragalactic gamma-ray sources, Galactic and extragalactic diffuse emission, gamma-ray bursts and charged cosmic rays acceleration and diffusion mechanism up to the knee.

研究の動機と目的

• マルチTeV領域まで高エネルギーガンマ線および宇宙線の正確な測定を可能にする。
• 特に135 GeVにおけるガンマ線線の高分解能検出を通じてダークマターの痕跡を探索する。
• 銀河および銀河間空間における宇宙線の起源、加速および伝搬機構を調査する。
• 直接軌道上での陽子およびヘリウム核の検出を用いて、宇宙線スペクトルのカニーエリアを調査する。
• 高度楕円軌道から円軌道に移行することで、全天カバーを実現し、地球遮蔽を最小限に抑える。

提案手法

• ガンマ線および荷電粒子検出のため、ペア変換望遠鏡と完全包含型電磁カルオリメータを組み合わせた二重機器設計を採用する。
• 大面積で均一かつ等方的なカルオリメータを採用し、高エネルギー陽子およびヘリウム核の受容率を最大化する。
• ガンマ線バーストなどの一時的天体源の長時間観測を最適化した指向戦略を採用する。
• 51.4°の傾斜角を有する初期の高度楕円軌道（遠地点300,000 km、近地点500 km）を採用し、その後約200,000 kmの半径の円軌道に移行する。
• 星像センサ（5角秒の精度）、磁力計、およびKonus-FGガンマ線バーストモニタを搭載する。
• 陽子/電子の分離に高度な粒子識別技術を適用し、陽子/電子の分離因子を10^5に、高エネルギーハドロンの再構成効率を40%に達成する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 GAMMA-400は、Fermi LATと比較して、135 GeVのガンマ線線のエネルギー分解能が優れているか？
• RQ2 10年間のミッション期間中に、カニーエリア（10^15 eV）における高エネルギー陽子およびヘリウム核の期待検出率はどの程度か？
• RQ3 角度分解能およびエネルギー分解能の優れた性能が、拡散ガンマ線放射および天体的源の研究をどのように向上させるか？
• RQ4 GAMMA-400は、核の原子番号に応じた宇宙線の加速および伝搬機構をどの程度まで探査できるか？
• RQ5 GAMMA-400の有効面積は100 MeVから3 TeVの範囲でどの程度であり、Fermi-LATと比較してどう異なるか？

主な発見

• GAMMA-400はガンマ線に対して1–2%のエネルギー分解能を達成し、Fermi-LATの5–10%を大きく上回り、135 GeVにおける正確な線検出が可能になる。
• 1 GeV未満ではFermi-LATを上回る有効面積を示し、完全カルオリメータの受容率により、高エネルギー域で同程度（最大約8000 cm²）に達する。
• 10年間のミッション期間中に、GAMMA-400は100件を超える高エネルギー陽子およびヘリウム核のイベントを収集し、カニーエリアの直接的調査が可能になる。
• 100 GeVから100 TeVの範囲における陽子のエネルギー分解能は30%から40%の間になると予想され、カニーのスペクトル解析に詳細な分析が可能になる。
• 10^5の陽子/電子分離因子および40%の再構成効率により、高エネルギー領域における電子と陽子の高精度な分離が保証される。
• 観測機器の軌道により、地球遮蔽を回避し、連続的な全天アクセスが可能となり、一時的および拡散源の観測時間を最大化する。