Mar.27.2005
JPS2005_Noda
シミュレーションによる地球近傍における
陽子・反陽子の空間分布III
1.はじめに(動機・目的)
普喜 満生
2.計算モデル(作業仮説)
方程式と磁場
高知大学 教育学部 理科専修
高知市曙町2-5-1,
Kochi 780-8520, JAPAN
入射モデル
エネルギースペクトル
3.結果
空間分布
Email: [email protected]
Web: http://akebono.ei.kochiu.ac.jp/~fuki
到来方向分布
エネルギー分布
4.結論と考察
1. はじめに
1-1 反陽子の観測実験の現状

気球実験 ⇒ 反陽子 & 陽子

BESS, CAPRICE, etc.

人工衛星・宇宙船・宇宙ステーション(Mir/STS/ISS)

⇒ 反陽子, 陽子, 原子核,電子
 AMS, HEAT, PAMERA…
数千個の反陽子が観測された
⇒
地球近傍でどこにどのくらい“天然”の反陽子は
存在しているのか ? 。。。目的


1.
2.
3.
コンピュータシミュレーションで空間分布とエネルギー分布を推定
反陽子の(ほとんど衝突からの2次といわれる)発生の起源の探索
JPS2003(宮崎)報告I・・・両極到来・捕捉確率・放射線帯の形成
JPS2004(福岡)報告II・・・エネルギー分布・到来方向分布
JPS2005(野田)報告III・・・今回
1) エネルギースペクトル
●陽子
●反陽子(< 1/10000)
Fisk
BESS
反陽子はどこから?
Mode energy ~ 0.3 – 0.7 GeV
Mode energy ~ 2.0 GeV
2) 放射線の空間分布 (高度400km)
反陽子はどこにある?
●陽子 & 電子(by Mir)
●中性子(RRMD@STS/NASDA)
Solarmin
Solarmax
SAA(南アメリカ異常地帯)と両極地方に多い
2. 計算モデル
2-1 運動の方程式
Lorentz 力 F;
m: 質量 , c :光速,q:電荷,
V=(dx/dt, dy/dt, dz/dt) : 速度,
B:磁場 (静的),
⇒地球磁気圏(RE<r<10RE;IGRF+Mead補正)
E = 0;⇒ 電場はなしとする…(共回転電場~0.1MeV)
2-2)地球磁気圏磁場

1)双極子モデル
簡単、粗い、速い

2)IGRF(国際標準磁場)
地球近傍(RE ≦ r <5RE )、
SAAを説明できる

3)GEOPACK
(Tsyganenko)
地球磁気圏全域(r <50RE )、
複雑・計算時間、
日・季節・経年変化など
Dipole
IGRF
Geopack
44 sec
373 sec 3694
RKG4,1000個,Model-I,Tmax=4sec,dt=1e-5,
PentiumIII_1GHz,WinXP+C++
2-3 入射モデル
(初期条件)
陽子


I) 宇宙線陽子 (磁気圏外からの一様入射)
銀河 (or 太陽) 宇宙線一次陽子 :GCR
II) p + A → p + X(空気との原子核衝突から陽子発生)
生成@20 km, アルベド(Albedo) 陽子 :CRAP

III)p + A → n + X (空気との原子核衝突から中性子発生)
n → p + e- + ν (アルベド(albedo)中性子の崩壊)
τ = 900sec, 発生<10・RE, 崩壊陽子:CRAND
反陽子, (衝突2次起源;対発生)



I) 銀河宇宙線反陽子 (磁気圏外からの一様入射)
II) p + A → p + p + p- + X
(空気の原子核衝突から反陽子の対発生)
III)p + A → p + n + n- + X
(空気の原子核衝突から反中性子の対発生)
n- → p- + e+ + ν (反中性子からの崩壊)
2.5 計算モデルとパラメータ
1)3次元運動方程式を時間について数値的に解く
Adamus-Bashforth-Moulton 6th method
 Runge-Kutta-Gill 4th method ・・・(better)
計算範囲: RE(=6,350km)+20km ~ 10・RE(地球磁気圏内)
時間刻み: 可変,10μ秒(<1000km) ~ 10m秒(外側)
時間制限: 最大max.600秒(10分間)
磁気圏磁場: 静的, IGRF (内側) + Beard-Mead項補正 (外側)





2)初期入射条件としてモンテカルロ法



エネルギー範囲: 10 MeV ~ 10 GeV ランダム
 エネルギースペクトルからサンプル
 Em(陽子)=0.3GeV , Em(反陽子)=2.0GeV
出発位置と方向: ランダム(球面上一様, 等方ベクトル)
 モデルⅠ(地球外から入射、cosθ>0.9)、
 モデルⅡ・Ⅲ(地球表面から出発)
(反)中性子崩壊: 指数ランダム(τ=900 秒),< 10・RE
3. 結果
(1)捕捉確率(反陽子)


3つの解(脱出・到着・捕捉)

Escape …. 磁気圏からの脱出

Arrive …. 地球に到着

Trap …. 捕捉(>10分)
磁気圏内でのカオス的運動
(⇒ バンアレン放射線帯)
3モデルからの3解の
確率(⇒右表)
典型例 @ Ek=1 GeV
(エネルギー依存性あり)
モデル
I
GCR
モデル
II
CRAP
モデル
III
CRAND
Escape
99 %
18 %
81 %
Arrive
<1 %
82 %
18 %
0
~0
1.5%
Trap
2) 空間分布(1)
ModelⅠ
GCR
ModelⅡ
モデル-II
CRAP
ModelⅢ
CRAND
モデル-III
脱出確率・到着確率・捕捉確率
2)空間分布 (2)
・) 極地方の表面分布
@400km

陽子/モデルI
input 100,000 粒子
オーロラ帯

反陽子/モデルI
input 100,000 粒子
広く拡がる
*)宇宙線カットオフ・Rigidity分布/モデルII
両極地方に穴
*)宇宙線カットオフ・Rigidity分布/モデルII
2)空間分布 (3)
50E
130W
・) 世界表面分布

[email protected]
陽子/モデルIII
Input 100,000 粒子
 右周り
 SAA、東に尾

⇒陽子
反陽子/モデルIII
Input 100,000 粒子
 左周り
 SAA、西に尾
←反陽子
Same color means same particle (orbits)
2)空間分布(4)

高度分布

断面 (Φ=-50°(SAA側) vs 130°(反対側) )
●陽子/モデルIII
●反陽子/モデルIII
陽子は 4000 km付近に多く、 反陽子は 2000 km付近に多い
低高度成分はSAA領域をつくる
2)空間分布(4)
•高度分布
断面 (傾斜角Θ=10°,Φ=-50°(SAA) vs 130°(反対側) )
●陽子/モデルIII
●反陽子/モデルIII
10万粒子@1week (もう一桁⇒ 100万粒子)
陽子は 4000 km付近に多く、 反陽子は 2000 km付近に多い
低高度成分はSAA領域をつくる
3) 到来方向の違い
ISS軌道上
(@400km・Θ<52°)
● 陽子/モデルIII
Input 100,000 粒子
上方到来: 北
下方到来: 南東
● 反陽子/モデルIII
Input 100,000 粒子
上方到来: 南西
下方到来: 西
4)エネルギースペクトルPreliminary
ISS高度@400km
(放射線内帯)
Input
Observed
反陽子/モデルIII
•0.1~2GeVで増加
スペクトルの変形
•もっと統計量必要
両極地方@400km
反陽子/モデルI
スペクトルの変形は小
4. 結論



両極地域 (高緯度;High Latitude)
 宇宙線 (反)陽子 は地磁気圏外から両極地方に到着しやすい
(by モデルⅠ)・・・・GCR due to Rigidity Cut-off
 反陽子は陽子より広がって分布
 反陽子エネルギー分布は変形されない
放射線帯中(RadiationBelts)
 崩壊(反)陽子がVan-Allen放射線帯を作る
(CRAND; Cosmic ray Albedo neutron decay:modelⅢ)
 低エネルギー側(<0.1GeV)の崩壊陽子は広く補足される
 高エネルギー側(~1GeV)の反陽子は内帯に捕捉される
 反陽子は低高度(~2000km)に集まる
ISS軌道高度(Altitude400km)
 陽子と反陽子は同様にSAA領域に集まる
 到来方向は陽子(北)と反陽子(南西)で反対方向
 SAAでは尾を陽子(東)と反陽子(西)にひく
(これらは定性的な結果)
5. 考察と今後の課題

陽子と反陽子の空間分布の定量的な考察の必要
 入射条件の精密化(2次粒子の出発位置・方向)
 もっと統計量! ⇒ もう一桁




100K 粒子 → 1M…..今,10K/1日(Pentium4,2GHz)
統一的な議論:

3モデル⇒1モデル

流束, p-/p比, (原子核, 同位体, 反原子核?)

エネルギースペクトル, 到来方向分布.

発生率, 捕捉時間, 漏れ出し率.

時間変動 (短期, 長期, ストーム).

太陽活動, モデュレーションなど.
他の結果との比較

理論・シミュレーション

(coming)実験データ
その他の太陽系効果
・・・> 反陽子生成の起源
 太陽磁場、惑星磁場(木星など)
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と反陽子 - 高知大学