⾼高⾓角度分解能エマルション望遠鏡
による宇宙ガンマ線観測計画	  	  GRAINE	  六條宏紀(神戸大→名古屋大)
PI 青木茂樹(神戸大)for GRAINE collaboration

フェルミ望遠鏡、太陽フレア	  太陽フレアに伴う粒子加速(陽子)が	  議論出来るように成りつつある。	

フェルミ望遠鏡、太陽フレア	  	  >100	  MeV	太陽フレアに伴う粒子加速(陽子)が	  議論出来るように成りつつある。	

ガンマ線の到来⽅方向決定	  原⼦子核乾板	  γ→	  e＋	  +	  e­	  現像前、現像後の原子核乾板		 	 	 	(OPERA film)	

10μm	

☆低物質量
☆高分解能
☆大面積化可能(安価、軽量、読み出し系不要、デッドスペース極小)最新の⾶飛跡読取技術	  Hyper	  Track	  Selector	

読取	  速度	  1m2/h	乳剤開発＠名⼤大	  0deg,	  40min)	  Fuji	  Janet	  Co.,	  Ltd.,	  Nagoya	  Univ.	   Gela%n1/4,	  Na	  type,	  Fe	  x	  2,	  MIP	  (XAA,	  2GD=86.1+-­‐4.7	  New	  type	  FD=2.9+-­‐0.9	  OPERA	  type	  GD=34.8+-­‐0.6	  FD=3.7+-­‐0.4	  eﬃciency	  [%]	  Evaluated	  by	  K.	  Kamada	  (Kobe	  Univ.)	  Tracking	  eﬃciency	  97.7+-­‐0.25	  [%]	  Incident	  angle	  シリコンストリップ検出器
W	  foil	  100µm	  (.030X0)	  c.f.	  Fermi-­‐LAT	  Si	  400µm	  (.004X0)	  228µm	  pitch	  原子核乾板
50µm 	  	  (.003X0)	  Cu	  foil	  Emulsion	  Film	  0.1μm	  pitch	  30mm	  290µm 	  	  (.002X0)	  角度測定精度	  δθ=√2δx / L	  多重電磁散乱	  δθ=13.6/pβ*√(通過物質量)	  反跳運動量	  Pt	  ~	  0.5	  MeV/c	  ⾓角度分解能	  (ビーム試験)	

EGRET(1991-­‐2000)	

太陽フレア発⽣生源測定	  68%	  containment	  ~4度@100MeV	

GRAINE	  0.9度	

Fermi-­‐LAT	  68%	  CL	  	  error	  circle	太陽	  視直径0.5度	

紫外線	

口径面積 10 m2、7日間フライト
有効面積 Fermiの約10倍@100MeV
視野 2.2 sr ( 45度、 1天体 6時間/日)
より高精度な発生源の特定が期待。

Fermi-­‐LAT W44	  デコンボリューション	

0.5deg	  GRAINE(MC)	  1-­‐10GeV	  空間構造の解明	  Spitzer(4.5μm赤外)	  のデータを真として	  シミュレーション	

3Flight	  (17day)	  相当の観測	
11	

銀河中⼼心領域の観測	  偏光観測	  Microscopic	  view	  of	  a	  pair	  creaqon	  γ	Y	  γ	50µm

方位角ω	  X	  Cu	  emulsion	  293µm
0.002Xo	  1micron	  TAC	  base	  方位角分布(DATA)	
emulsion	  3.5σで実証

SPring-8直線偏光ガンマ線ビーム

GRAINE計画

Gamma-Ray	  Astro-Imager	  with	  Nuclear	  Emulsion	  大面積、高分解能、かつ偏光感度を持つ原子核乾板による長時間気球観測を行うことで、宇宙ガンマ線の精密観測を実現。
0112ENIGRA

1st	  	  step	  プロトタイプ1	   •上空での観測コンセプトの実証	  (1/10m)	  •バックグラウンドの実測	

2nd	  step	   プロトタイプ2	   •既知のガンマ線天体の最高精度で検出	(1/2m)	  Final	  step	   フルスケール	   •科学観測	(~3m)	  ~10m2,	  2t	  	  7日間	  x	  5~10フライト	  (6畳敷き)	   厚み~3cm	  (=JACEE実験、RANJOB実験)	  1/10mエマルション望遠鏡	  Low energy	

High energy	

γ	γ	

ハニカム板	
ハニカム板	e+	e-	

面積	  :	  12.5cm×10cm	  平面補償用フィルム�
エマルションフィルム2枚	Converter�
エマルションフィルム102枚, 銅箔(50um厚)91枚	

1.1kg, 35.0mm, 0.54Xo(εconv= 34%)	

Time stamper(多段シフター)�

e+	 e-	))))))

エマルションフィルムから成る	

新しいタイムスタンプ手法	
(2011年フライトでの技術実証要素) 	 	
Calorie meter�

エマルションフィルム32枚、鉛板:0.5mm厚10枚、1mm厚17枚	

3.2kg, 31.9mm, 4.0Xo(Shower Max.@ 数GeV)	

タイムスタンプ部「多段シフター」	  RMS

原理テスト	  Efficiency
地上(ミューオン)	   Reliability
2stages	  12hours	  )	  ))	  1.5秒hour	  min.	  
)))	   sec.	  

S.Takahashi	  et	  al.,	  Nucl.	  Instr.	  And	  Meth.	  A,	  620	  (2010)	  192-­‐195	  

少ない物質量、高い位置・角度分解能、大面積化可能	
シンプルな構成、コンパクト、軽量、高電圧不要、低消費電力、デッドタイムフリー	

98%
97%

(株)三鷹光器と共同開発

重量 5kg
電力 7W
コンパクト
シンプル

フライトモデル1号機	  GRAINE	  2011
First	  Flight	  ＠北海道大樹町宇宙実験場
JAXA大気球実験室によるサポート

GPS気圧計電池

デイタイム
スターカメラエマルション望遠鏡

1.3 m�

GRAINE 2011	
＠北海道大樹町	
2011/6/8	

大樹航空宇宙実験場	

7:14	

漁船による	ゴンドラ回収	

高度[km]	

8:50	

5:05	
経度	

トラックの⾃自動読み取り	  “ S-UTS ”@名古屋大Number of tracks:8.0×108

10cm	  12.5cm	  |tanθproj|<1	  
200micron	  Film#67,	  1st	  ガンマ線イベントの選び出し	  5mm	  x	  5mm	  10枚	

ガンマ線イベントの選び出し	  ガンマ線イベントの選び出し	  ガンマ線事象例	
Event	   	  :	  71	  6923485	  Start	  	  :	  #7	  θincident 	  :	  9.748	  [deg]	  pβ1(左) 	  :	  60	  +20	  -­‐12	  (25%)	  [MeV/c]	  pβ2(右) 	  :	  32	  +	  	  9	  -­‐	  	  6	  (22%)	  [MeV/c]	  Eγ 	  :	  92	  +22	  -­‐13	  (+24%	  -­‐14%)	  [MeV]	  #7	  3.15mm	  0.077mm	  #1	  タイムスタンプ解析	  X stage1 = dx1
X stage 2 = dx1 + dx 2
X stage 3 = dx1 + dx 2 + dx 3

貫通する全荷電粒子に	  入射時刻を与えた。	

36"(ave.)5.8 count/s

0"

5分"

km	count/s	  	  	  25"

タイムスタンプ結果
22~35kmでの毎秒の貫通⾶飛跡数	  (ave.)4.6 count/s

20"(ave.)4.2 count/s(ave.)4.1 count/s(ave.)3.9 count/s(ave.)3.9 count/s(ave.)3.9 count/s(ave.)3.9 count/s

36"(ave.)5.8 count/s

0"

5分"

km	count/s	  	  	  25"

タイムスタンプ結果
22~35kmでの毎秒の貫通⾶飛跡数	  (ave.)4.6 count/s

20"(ave.)4.2 count/s(ave.)4.1 count/s6.6	  σ相当の	  アノーマリー	(a)	
(ave.)3.9 count/s(ave.)3.9 count/s(ave.)3.9 count/s(ave.)3.9 count/s

多段シフターでとらえたハドロン反応	  H.Rokujo, et al., NIM A, 701 (2013)"
陽子	

原子
核中間子	  核子	  核破砕片	  etc	各飛跡の時間情報の	  ばらつきは0.1秒	

GRAINE
ファーストライト	  GRAINEコンセプト	
○気球観測+回収+現像○自動飛跡読取、飛跡再構成○ガンマ線検出、方向決定◎秒以下精度入射時刻付与○姿勢情報付与○天球にポインティング⼤大気ガンマ線フラックス	  1/2mフライトモデルの開発	  動作試験完了。
3月低温低圧環境試験
9月 フライトレディ

まとめ	  GRAINE計画: 高角度分解能エマルション望遠鏡によるガンマ線天体の精密観測を目指す。
フレア、イメージング、偏光観測、密集域分離2011年、初気球実験を実施• 上空でのガンマ線検出→時間情報付与(δt~0.1秒)→姿勢決定→イベントポインティングを確立。
• 時間＋空間情報を組み合わせたエマルションの解析によりハドロン反応の効率的探索が可能に。
• 大気ガンマ線フラックスを実測。

2014年豪州でのフライトに向けて準備進行中。
Velaの検出、最高精度での結像を目指す。