シンポジウム 「宇宙に広がる人類文明の未来」

宇宙の怪傑
ガンマ線を捕まえろ！
水村 好貴

インフルエンザ京都大学 宇宙総合学研究ユニット

代理 谷森 達京都大学 宇宙総合学研究ユニット
理学研究科

ガンマ線観測で狙えるサイエンス
基本的には宇宙の高エネルギー現象と密接に関係
宇宙での元素合成
超新星残骸,銀河面のラインマッピング
強重力環境の物理
ブラックホール天体
宇宙線の加速活動銀河核、パルサー、など
宇宙の進化
初期宇宙からのガンマ線バースト

地球科学
地球大気内でのガンマ線バースト現象(Relativistic Electron Precipitation)

極域周回気球なら可能

MeVガンマ線天文学
高感度な衛星搭載装置で、目指す。
GRBCrabAGN

MeVガンマ線天文学とは
GRB => 宇宙最大事象 10-1000倍 のSuper Nova?

Larson&Bromm 02

z～6-30
GRB
ホーキングBH(ビッグバン）
 10 g 
 ~ 100 MeV M 15

ホーキングBH
現在 熱的MeV
ガンマ線放射天体z~7
銀河、クエーサー
GRB

一口にガンマ線と言ってもガンマ線

波長短い

Ｘ線

可視光線

長い

大気への侵入深さ何桁もの波長帯に広がっていて、その観測方法は様々
N. Tonello(Ph.D Thesis, 2006)

例えば、1 GeV（109 eV）のガンマ線対生成で生じた電子＆陽電子のペアを捕まえる！
⇒ 間接的に、入射したガンマ線の取り調べ
ガンマ線
LAT検出器Michelson+ (2010)

FERMI（GeV) ~2000天体

電子＆陽電子例えば、1 TeV（1012 eV）のガンマ線
大気中で生じる電磁シャワーからの二次放射を捕まえる！⇒入射したガンマ線を推定！
ガンマ線

シャワー発達のシミュレーション

地上の複数台の望遠鏡で、シャワー形状を３次元的に測定

F. Schmidt“CORSIKA
Shower Images”

ほぼ光速の電子、陽電子、ガンマ線の電磁シャワー
荷電粒子がチェレンコフ光を放射！
（衝撃波の光版）

Magic-II例えば、1 MeV（106 eV）のガンマ線 コンプトン散乱で反跳した電子と、散乱したガンマ線を測定！
⇒元々のガンマ線の情報を推定！

COMPTEL(MeV) 30天体

ガンマ線
φφ

散乱角φ を決定可能↓
この円周方向のどこかから、ガンマ線が入射したと推定可

電子
前段検出器
後段検出器

宇宙怪傑（ガンマ線）の観測包囲網！！
Ｘ線

MeVガンマ線

GeVガンマ線 TeVガンマ線

Baderg / (cm2 sec)

観測の感度

EGRET

Astro-H

我々の目標

FERMI

Air
Cherenkov

Good

GeV ガンマ線、TeV ガンマ線
近年の観測技術の発達がすばらしい
X線領域では、もう逃げられない！

COMPTEL以降、発展のないMeVガンマ線をしっかり捕まえたい！

MeVガンマ線観測の難しさ
gamma

GRB 910505
J. M. Ryan (NewAR, 2004)

φevent circle

誤信号

E1 (反跳電子)
E2 (散乱ガンマ線)①②イメージング（撮像）の技術的難度
大量のバックグラウンドの存在

G. Weidenspointner+ (A&A, 2001)

R. van Dijk (Ph.D thesis, 1996)

バックグラウンド除去能力に優れ、撮像能力も高い検出器が必要！

電子飛跡検出型コンプトンカメラ（ETCC）
 前段検出器にガスを用い、粒子の3次元飛跡をも測定する新しいタイプのガンマ線カメラ（逆転の発想！）
宇宙線μ粒子電子
電子方向無し 高い撮像能力
 １光子毎に到来方向を決定可 バックグラウンド除去
 運動学チェック エネルギー損失率による粒子識別 広視野 ~4 sｔr

電子方向有り0.74 MBq

0.85 MBq

3.2 MBq

Three 137Cs sources~ 4倍コントラストが改善

ETCC for Molecular Imaging
10cm ETCC-Medical

Thyroidgrant

I-131-MIBG(364kev)

10cm~6cm

180cm

CT+ETCC

SPECT+CT

Recovery error ~10%120cm

70cm

Mn54(835keV) +CT

Position res. ~8mm(FWHM) at 10cm
front @551keV, 4-5mm @1MeV~6cm

核物質を選ばない！
40以上の核種 （分子イメージング）
Ca, Fe, Na, Zn, Cu, Mn, S,tumor

leverbladder
Injection point (tail）

SMILE-I ⇒ SMILE-II
SMILE-I(10cm)3 サイズ検出器
 気球高度での動作試験
 大気ガンマ線＆宇宙拡散ガンマ線の測定
Event Selection

1m

SMILE-II

8 時間の飛行で実験に成功@ Japan (Sep. 1, 2006)(30cm)3 サイズ検出器
 ガンマ線撮像の試験
 カニ星雲の観測

Diffuse Cosmic g

検出するための装置要求値
有効面積 >0.5 cm2
角度分解能 <10o1m
Takada et al. ApJ (2011)

1日程度の飛行@ Fort Sumner (2014—2015)

SMILE-II ETCC の基礎性能試験(662 keV:0.05mShv/hour)
30 deg.

15 deg.

60 deg.

ガンマ線源⇒ 3 sr 以上の広視野を持っている事を確認
暗い線源でのイメージングテスト

２５ kBq 5.５ｍ離したイメージ
22Na (511 keV)

カニ星雲観測時に予想される S/N 比
世界で最も高感度が実証！

ガンマ線カメラとしての有効面積
現在と将来のSMILE-II 30cm
ETCC感度

角度分解能

更に、もっと高みへ登れる可能性がガスの最適化: CF4 + 3気圧 ⇒ ~10 cm2
シンチレーターの被覆率増倍 ⇒ ~20 cm2
3sr の広視野、低バックグラウンド、高品位なイメージングを保ちつつ、COMPTELと同等の有効面積に到達可能

擬似宇宙環境での動作試験
 大量の連続ガンマ線と中性子環境を再現！
140 MeV
Protons

気球実験想定値の５倍以上高い放射線環境（最強度雑音化試験）

確認用線源をクリアーにイメージング成功

dE/dx662
keV

dE/dx による粒子識別と有効体積によるイベント選出でバックグラウンドを約 1 桁抑制！

Sensitivity & SMILE-III
106 sec, 3σ detection

Preliminary

SMILE-III (10cm2)

SMILE-satellite

SMILE-II （in USA） SMILE-III （in 極域）
 ゴダード宇宙センターの研究者と協議中
 カニ星雲を 5σ 以上の有意度で検出し、撮像能力を証明する

 ETCCをさらにアップグレードし高感度化
 銀河面探査 MeVガンマ線背景放射の異方性検証
 地球科学領域の観測相対論的電子降下（REP）からのガンマ線バーストも重要な観測対象
陽子
20—120 keV

電子
15 min.

K. R. Lorentzen et al., (2000)

sec scale

極域オゾン層の生成に関与

もし SMILE 実験で REP を狙うと
 広視野 (>3 sr, 半径 約 300 km) とエネルギー範囲 (0.1—数 MeV)
大気内でのガンマ線バーストのモニターに適している！
⇒ 数百事象が観測予想（現在まで10例程度）
 雷からのガンマ線も期待できる

まとめ
宇宙の怪傑ガンマ線の国際協力観測包囲網は急速に進展してきている MeVガンマ線領域は、電子飛跡検出型コンプトンカメラ（ETCC）が包囲網の鍵を担っている

2013年春に検出器部の仮組みを完了し、開発を推進
解析ツールの開発・整備
 基礎性能評価 ⇒ カニ星雲観測の要求を満たす値
 擬似宇宙環境下での動作試験⇒ 高雑音下および超微弱線源の撮像に成功

多分 世界最高感度？（調査中）
 装置のアップグレード

１日程度の気球実験SMILE-IIを2014年度以降に実施予定、数年後には極域長時間観測へ

この技術は医療、環境計測などへ重要な貢献が期待されている。