GRAINE計画と2018年気球実験
高橋覚 (神戸大) for GRAINE collaboration
愛知教育大学、ISAS/JAXA、岡山理科大学、神戸大学、名古屋大学

PI: 青木茂樹 (神戸大)GRAINE 2018, JAXA Scientific balloon @ BLS Alice Springs Australia, 6:30AM 26th April (ACST)All-sky map by Fermi Gamma-ray Space Telescopeusing nine years of data collected from 2008 to 2017

Image credit: NASA/DOE/Fermi LAT Collaboration>5000 sources (FL8Y)

原子核乾板(エマルションフィルム)

Microscopic view
10 mm

原理的な位置精度 ~50nme+/-Gamma-raye-/+

エマルションフィルム断面図
Gamma-ray
75mm
2x10-3Xo

Emulsion
PlasticbaseEmulsion

e-e+

330mm
5x10-3Xo

多重電磁散乱を抑え、緻密(<1mm)に電子対の飛跡が捉えられる
高いガンマ線角度分解能
ガンマ線偏光に有感+大規模化が実現可能+大面積自動解析技術+時間情報付与技術

優れたガンマ線望遠鏡になり得るエマルションg線望遠鏡
長時間気球フライト繰り返し

GRAINEe+ e-Attitude monitor(Star Camera)

Gamma-Ray Astro-Imager with Nuclear Emulsiong* 10m2*etrans*econv*edet

Fermi LAT
Angular resolution @100MeV@1GeV

6.0deg (105mrad)

x1/6GRAINE
1.0deg (17mrad)

0.90deg (16mrad) x1/9 0.1deg (1.7mrad)

Energy range

20MeV - 300GeV

10MeV - 100GeV

Polarization sensitivity---Yes

Effective area @ 100MeV

0.25m2@ 1GeV
Dead time

0.88m226.5μsec(readout time)

x8x3

2.1m2 *

2.8m2 *
Dead time free偏光感度

角度分解能

LEPS/SPring-8 (2004年12月)
Eg, Max.=2.4GeV

N ( )  p 0 1  p1  cos 2(  p 2  90 )有意で矛盾のない結果が得られた<P>=66%, modulation factor=0.21+0.11-0.09
K. Ozaki, S. Takahashi et al., NIMA (2016)
Energy range

多段シフター開発 2007年7月—
S. Takahashi et al., NIMA (2010)

大気ガンマ線@乗鞍(2007年7月、9月、2013年7月)、他

RMS

1.5s

Efficiency

98%

Reliability

97%~sea level
12hours
2stages

運動量測定精度w/MCS
35MeV electron LINAC@Tokai-mura (2012年8月)

35.2+6.5-7.4 [MeV/c]

エネルギー測定精度
NewSUBALU(2013年11月)

Absolute:1.8% (34.6MeV/c@incidence)Data: 70.8MeV(+30%-19%)
Relative:20% (15films)+26%
14%@Eg=70MeV (even case)
20%@Eg=35MeV (uneven case)

MC: 70.4MeV(-17%)

平面性study
J-PARC nビームラインmピット
2014年11月

s<1.8mrad(0.10deg)

2011年度気球実験
エマルションガンマ線望遠鏡の初めての気球実験

JAXA大気球実験
大樹航空宇宙実験場(TARF, Hokkaido, Japan)

2011年6月8日
総フライト時間4.3時間(1.6時間 @34.7km)

口径面積：12.5cm×10cm

初めての気球実験、実現可能性の実証

2011年度気球実験 フライトデータ解析
角度分解能
1deg@100MeV

エマルションガンマ線望遠鏡気球実験の実現可能性を実証

S. Takahashi et al., PTEP 043H01 (2015); H. Rokujo et al., NIM A 701, 127 (2013)2015年気球実験
5/12
6:33 放球

口径面積3780cm2(約30倍)
ミリ秒オーダー時間分解能(約1/10倍)

Flight duration: 14hour22min(11hour32min(約7倍)@36.0-37.4km)
image©JAXA

Launched, 6:33 12th May 2015
実験設計、様々な改良・準備、気球実験
オーストラリアでの気球実験体制を確立

Image©JAXA

S. Takahashi et al., PTEP 073F01 (2016); K. Ozaki et al., JINST 10 P12018 (2015)

2015年気球実験のまとめ• 口径面積3780cm2 (約30倍, 新型エマルションフィルム, 総面積48m2)• フライト時間14.4hour (11.5hour@36.0–37.4km (約7倍))• オーストラリア気球実験 scheme & flow を確立• JAXA豪州大気球実験の先行実験としての役割を果たした• 飛跡読み出し 総面積41m2 w/ HTS• エマルションフィルムのS/N比~20倍、データサイズ~20分の1• フィルムあたりの飛跡inefficiency~10分の1• ガンマ線事象検出のためのデータリダクションロード~200分の1• 全有効面積データ処理 口径面積2830cm2 (総面積30m2)• ガンマ線結像性能<~1.0deg cf. 角度分解能1.0deg@100MeV• 全フライト時間(6:30 – 20:00)にわたるタイムスタンプ• 時間分解能9.8ミリ秒(約7倍)• スターカメラ限界等級改善 6.1→7.5等級

2011年気球実験から大きく前進

H. Kawahara, et al., KMI 2017, https://pos.sissa.it/294/059; H. Rokujo, et al., PTEP 063H01 (2018);
F. Mizutani et al., NIMA (Submitted).

2015年気球実験
Vela Pulsarからのガンマ線を有意に検出する。

2018年4月JAXA豪州気球実験
有効面積・有効時間拡大およびBG低減の展望• スターカメラの堅牢性強化→有効時間 1.77倍• データストレージの冗長化、エラーからの復帰可能なシステム• エマルションフィルムの安定性確保→有効面積 1.33倍• 製造および処理処方の最適パラメーター確立• シフターセットアップの確立→有効面積x有効時間 1.33倍• フィルム搭載条件の最適化• シフター動作パラメータの適正化→BG 1/2倍

計6.3倍の改善.
望遠鏡の総合的な性能実証を目指す(目標結像性能: 1deg (>100MeV) )(実効値5倍).

2018年気球実験

Google Earth
Data SIO, NOAA, U.S. Navy, NGA, GEBCO
Image Landsat / Copernicus

AliceSprings

Longreach

SydneyFlight duration: 17.4h (21%↑)
Level flight @38.1 – 35.4 km: 14.7h (28%↑)
Fully covered Vela pulsar in 45 deg zenith(10%↑)
 望遠鏡(多段シフター、スターカメラ3台、与圧容器)の安定運用を達成
 回収成功(4/27 Longreach) 現像を無事に完了(4/29 – 5/13 @U Sydney)

様々な開発、改良、準備
口径面積: 3780cm2

GRAINE 2018, JAXA Scientific balloon@BLS Alice Springs Australia, 6:30AM 26th April (ACST)GRAINE 2018, Flight data analysis,Converter, g-ray event detection

by HTS

検出器内ハドロン反応からのガンマ線を確認

Y [cm]

2018
検出器外放球プレートからのガンマ線を確認(姿勢情報も考慮)
U3, 40.57deg相当(10mrad)
X [cm]

GRAINE 2018, Flight data analysis, Timestamper, Timestamping# of Tracks / 1s Altitude [km]4020

Track rate分布(U3A7, U4A6)

X:Y

Hadron eventin a spike
U2A6

Vela obs. operation (3rd stage: 10um/s)

Simultaneity of
the hadron event tracks
U2A6

RMS: 0.51 sec
1mmTimestampablefor high resolution g-ray imaging

5sec

10 U3A7

時間分解能[秒]0500

Local time (UTC+9.5)30
1545|qx| [deg]結像性能1deg (w/0.3deg/s)

1.00.5|tanqx|
目標結像性能1degに対して良い時間分解能を達成

地平座標方位角 [deg]GRAINE 2018, Flight data analysis, Attitude monitor
Complementary attitude monitoringby the three star cameras w/ each 90 deg azimuth

sc1
sc2
姿勢決定率: 98.9% @Vela観測時間帯
姿勢決定精度: 0.022deg(方位角)sc3Local time (UTC+9.5)

Survey Map
銀河座標
天頂、天頂角45deg(30分おき)
決定姿勢(検出器座標)
GPS(地平座標)
水平浮遊開始Velaパルサー

全天カバー率 .
GRAINE 2018: >51% (>2.0p[sr])24時間フライト時: >65% (>2.6p[sr])Attitude-determinable for high resolution g-ray imaging

Velaパルサー観測のためのデータ処理の進捗状況
Progress of Data Processing

v0: つなぎの精度×3s or 5s
v1: & 60MeV/c 2s

処理済v0量産処理系条件だし、最適化、整備v0処理量産
v1処理 study
v1処理導入v1処理量産2019年8月
Sh_v1イベントタイムスタンプ処理目処(U3A5-8, Ev_v20190806)

Sh_v1イベントタイムスタンプ処理量産

表面銀取り膨潤条件だし
スキャン条件だし
膨潤量産
スキャン量産June 1st2018Aug

2019年4月－7月
データ処理立ち上げ、環境整備
イベントタイムスタンプ処理立ち上げ
シフター config, 駆動確認
(U4A6, Ev_v20190501)
w/ flight data tracks(U4A6, イベントタイムスタンプ処理21まででQuality & Performance check
Sh_v1処理study)
飛跡再構成条件だし
Sh_v0イベントタイムスタンプ処理目処
v0処理目処(1 scan area)(U4A6, Ev_v20190501)
4エリア結合v0処理目処
2019年2月－3月 Sh_v0イベントタイムスタンプ処理量産(U3A6(Ev_v20190501),
Sh – SC combined
U1A5-8(Ev_v20190501, Ev_v20190722))
東西効果

OctDecFeb2019

AprJune

AugVelaパルサー観測時間帯

Preliminary
Local time

Counts/s

ガンマ線イベントレート [Hz]ガンマ線到来方向決定率

ガンマ線時刻付与

ガンマ線e-pair事象
2本間での時刻一致(1本ずつ独立に時刻付与
U4A6v0)

信頼性: 99.9%(1-(1/347)/2)

時間分解能: 0.55 sec
ガンマ線到来方向決定
決定率: 99.1%(0.78/sqrt(2))

 到来方向決定精度: 0.17 deg(w/ 0.3deg/s attitude change)

-3

0

3 [秒]
Local time

ガンマ線到来方向分布 in地平座標(仰角→天頂角)

45°
北30°
東

西

Counts / (0.05)2>80MeV天頂角<45°, >80MeV

Counts / 22.5deg

tanq北南GRAINE 2018, Flight data analysis, Combined

南20190906
20190909
p03

tanq東西北東

ガンマ線事象は二次成分が主要一次宇宙線と同様の東西効果を検出
GRAINE初南西 方位角[°]

Velaパルサー周辺
ガンマ線到来方向分布
銀河座標

銀緯 [deg]>80MeV
Smoothed count map
w/o exposure correction
BG subtraction

エクセス検出 (5.2 s)
像の広がり半径約1deg
統計増大、BG低減
若干オフセット
フラックス導出

270260銀経 [deg]

Counts/(0.2deg)2

Velaパルサー周辺 ガンマ線到来方向分布 銀河座標

科学観測実験 ロードマップ
2018年4月, 総合性能実証2021–, 科学観測

Alice Springs
0.38 m2 aperture
17.3 hours flight duration3 – 5 g/cm2 altitude

Alice Springs
10 m2 aperture>~36 hours flight duration<~10 g/cm2 altitude

Velaパルサーの検出
精密撮像、位相分解解析study、銀河面放射、Gemingaを検出もしくは兆候を捉える
目標結像性能1deg(>100MeV)

Takahashi, Aoki
et al., ASR 62(2018) 2945

Vela pulsar
Polarization observation (<50%)

Pioneering polarization
observation for highenergy g-rays

SNR W44 (<200MeV, >200MeV)
Precise spectrum measurement
High resolution imaging

Studying cosmic ray
sources

Galactic Center
Resolving GeV g-ray
フライトデータ解析状況
Obs. with ~arcmin resolution
excess at galactic center
エクセス検出(5.2s)
像広がり半径約1deg(>80MeV) Test of fundamental symmetries beyond the Planck scale今後 統計増大、BG低減
 オフセット理解 フラックス導出

Transient sources
Studying transientObs. w/ high sensitivity
sources & w/ ones
& high photon stats
GRPとの相関探索、GeV g-ray Pair Halo探索→IGMFを制限

科学観測気球実験に向けた開発
与圧容器ゴンドラ
Conceptual design
Light, Thin, 0.3atm
5m2 (4units) aperture area
w/ a single pressure vessel gondola(~0.3ton weight)

1.7m

飛跡読取装置< ~2 ton payload (aiming)
w/ a 10 m2 aperture
時間付与多段シフター
新型多段シフター(prototype)

三鷹光器社と共同開発

大口径面積
長時間
高時間分解能従来型に比べ開口面積あたりの重量が半分