天体硬X線偏光検出器PoGOプロトタイプの
ビーム試験
水野恒史、釜江常好、田島宏康、Johnny Ng (SLAC)、
片岡淳、河合誠之 (東工大)、郡司修一 (山形大)、
斎藤芳隆、高橋忠幸 (宇宙航空研究開発機構)、深沢泰司 (広島大)、
John W. Mitchell、Robert Streitmatter(NASA GSFC)、
Richard C. Fernholz、Edward Groth(プリンストン大学)
cf. 片岡 et al., w51a 日本天文学会 2003年秋の年会
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硬X線偏光観測:意義と手段
•偏光はシンクロトロン放射やコンプトン散乱で生じ、磁場や散乱体の構造
を反映する。
パルサーの放射機構や、ブラックホール周りの降着円
盤のジオメトリを決める新しいプローブ。
•我々は、2007年頃に気球による偏光観測をめざし、国際協力のもとPoGO
(Polarized Gamma-ray Observer)の開発を進めている。
•~200本のプラスチックシンチレーター(有効
面積~230cm2 for 40-50keV)を並べ、コンプト
ン散乱の散乱角の異方性から偏光を計る。
•Welcome気球実験やASTRO-Eおよび
ASTRO-E II HXDで培われた井戸型フォス
ウィッチのデザインを採用し、徹底した低バッ
クグラウンドを実現。
passive/active
collimator
side BGO
PMT
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bottom BGO
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PoGOで期待される成果
期待される感度
かにパルサーからの偏光観測
100mCrabの強度の天体から
の信号
phase=0.342+-0.045 (polar cap model)
phase=1.54+-0.10 (caustic model)
Phase=-0.22+-0.10 (outer gap model)
大気γによるバックグラウンド
20
MF=3.10+-0.65%
散乱の方位角
100 keV
•25-100keVの領域で10mCrabまでの
強度の天体からの偏光が観測可能
•6時間のフライトで、かにパルサーの
放射モデルを区別することができる
•その他のパルサー、ブラックホール連星、AGNのJet等からの偏光を、世界に
先駆けて観測することを目指す。
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プロトタイプのビーム試験
•これまでの議論はシミュレーションに依存
•実験室での偏光観測やビーム試験を通し、装置の性能を確認しシミュ
レーターを評価する必要がある
PoGO: 約200ユニットのfast/slow プラスチックシンチレーターと
bottom BGO、およびside BGOからなる
プロトタイプ: fastプラスチックシンチレーター7本 (主検出部)
beam direction
•2003年11月、米国アルゴンヌ国立
研究所にて実験
•60 keV, 73 keV, 83keVの3つのエ
ネルギーのシンクロトロンビームを
中心のシンチレーターに照射。
•ビームの偏光ベクトルは水平方
向:装置を15度刻みで回転。
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4
73.2 keV Run
•中心でコンプトン散乱し、周りの
シンチレーターの一つで光電吸
収した事象を選択
得られた異方性と、Geant4によるシ
ミュレーションの比較
Geant4
全エネルギー (keV)
2 scintillators detected a hit
中心のシンチレーターでのエネルギー (keV)
•プロトタイプで偏光を測定できること
を確認。
•Geant4によるシミュレーションで、
データを、10%程度で再現することに
成功。
ch1
ch2
ch3
ch7
ch6
ch5
Modulation Factor:
~43%(data) vs. 47%(simulation)
Geant4 ver 5.1のG4LowEnergyPolarizedComptonを
使用。EGS4との比較にもとづき、ユーザーによるfix
を行っている。
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5
60.2/83.5 keV Run
60.2keV
ch1
ch7
Geant4
ch3
ch2
ch6
ch5
83.5 keV
ch7
ch6
ch1
ch2
Geant4
ch3
ch5
Modulation Factor:
~42%(data) vs. 47.5%(simulation)
Modulation Factor:
~41%(data) vs. 46%(simulation)
•残る2つのエネルギーでも、10%程度以内でデータを再現。
•Modulation Factorがエネルギーにほぼよらないことを確認。
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Summary
•硬X線による偏光観測は、パルサーの放射機構や降着円盤のジオメトリなどを調べる新し
いプローブとなる。
•気球による偏光観測を目指し、日本を含む国際協力でPoGO (Polarized Gamma-ray
Observer)の開発を進めている。
•井戸型フォスウィッチカウンターのデザインを採用し、大面積・低バックグラウンド化により、
6時間のフライトでCrabパルサーの放射機構の解明ほか、様々な天体の観測が可能。
•装置の性能確認と、シミュレーションプログラムの評価のため、昨年11月に米国アルゴン
ヌ国立研究所で、ビーム試験を行った。
•プロトタイプで偏光が観測できることを示すとともに、Geant4によるシミュレーションでデー
タを10%で再現することに成功。またEGS4との比較に基づき、Geant4の偏光プロセスを修
正。Geant4チームへのレポートを行った。
•今年・来年に、ユニットを増やし、slow scintillator、bottom/side BGOを取り付けたプロトタ
イプでのビーム試験を行う。
•2007-8年の気球観測を目指し、各機関で協力、分担して開発中である。
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Geant4 vs. EGS4
•プラスチックシンチレーターでできた箱に100%偏光したCrabのスペクトルを入射し、
EGS4とGeant4とでModulation Factorを比較。EGS4はNamito et al. (1993)によ
るコンプトン散乱(偏光)の拡張がなされたものを、Geant4はver5.1 with low energy
extensionを使用。
•Geant4が~30%低いMFを返した。コードを確認し、EGS4のドキュメントを元に行った
修正をGeant4に施す。
10%程度で両者は一致。
Geant4チームへ報告済み。
(it was ~15% without “fix”)
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Geant4が - 広島大学理学研究科 高エネルギー宇宙・可視赤外線天文