GRAINE計画と2018年気球実験フライトデータ解析
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)1GRAINE 2018, JAXA Scientific balloon @ BLS Alice Springs Australia, 6:30AM 26 th 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)

2

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
3
優れたガンマ線望遠鏡になり得る

GRAINE

世界最高角度分解能
エマルションg線望遠鏡
世界初偏光感度
長時間気球フライト繰り返し
世界最大口径面積 Gamma-Ray Astro-Imager with Nuclear Emulsion

e+ e-Attitude monitor(Star Camera)g* 10m2*etrans*econv*edet

Fermi LAT
Angular resolution @100MeV@1GeV

6.0deg (105mrad)

x1/6

GRAINE
1.0deg (17mrad)

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

Energy range

20MeV - 300GeV

10MeV - 100GeV

Polarization sensitivity---YesEffective area @ 100MeV

0.25m2@ 1GeV
Dead time

0.88m226.5μsec(readout time)

x8x3

2.1m2 *

2.8m2 *
Dead time free4

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)

5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

6

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
7

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

8

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);
9
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)102018年気球実験

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

by HTS2018

検出器内ハドロン反応からのガンマ線を確認 (Converter+Timestamper)

検出器外放球プレートからのガンマ線を確認(10mrad半径円平滑化)(Converter+Timestamper+Attitude monitor)

0.57deg相当(10mrad)12GRAINE 2018, Flight data analysis, Timestamper, Timestamping# of Tracks / 1s Altitude [km]4020Track rate分布(U3A7, U4A6)

X:Y

Hadron eventin a spike
U2A6

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

Simultaneity ofthe 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)

1.0
0.5|tanqx|
目標結像性能1degに対して13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])14

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

第18回高宇連研究会

Progress of Data Processing

v0: つなぎの精度×3s or 5s
v1: & 60MeV/c 2s

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 1st2018

Aug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

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

AprJuneAug 15

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

姿勢情報付与ガンマ線到来方向決定
決定率: 99.1%

ガンマ線電子対飛跡
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(0.78/sqrt(2))

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

-30

3 [秒]
16

Local time銀緯 [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>80MeV
Smoothed count map
w/o exposure correction
BG subtraction

エクセス検出 (5.2 s)
像広がり半径約1deg

270260銀経 [deg]17

BG事象識別位置・角度・時刻を併せることでBG事象が再構成できる

校正用線源BG除去

時間情報を併せることでハドロン反応、ハドロン反応起因ガンマ線事象~30%(|Dt|<3s, 多重度2以上, 1点収束)

電子起因ガンマ線~10%(|Dt|<3s, 位置・角度一致)

Conversion
Dr=67mm
Dq=7mradDt=0.08s

1.2cm
16films

BGを~40%低減可能

18

大気ガンマ線実測
Counts/15deg

フラックス
GRAINE2011

到来方位分布(g線, <45deg, >100MeV)● GRAINE 2018 (ver.20191028)― HKKM計算
24.4°S, 140.4°E
残留大気圧3.86hPa
Apr, 2018
全イベント数で規格化

GRAINE初
大気ガンマ線
東西効果を検出データ – 計算
残差fraction <5%

方位南西北東Energy [MeV] 検出器コントロールサンプル
 大気ガンマ線物理(一次宇宙線、太陽活動、地磁気、大気、二次粒子)
 Sub-GeV領域におけるフラックス、東西効果
 大気ニュートリノフラックス計算シミュレーションとの比較•ニュートリノ物理への貢献可能性

 気球実験において大きな強み

19

検出器全体に降り注ぐハドロンシャワー探索# of events

 検出器全体にわたる新たな較正用線源
 荷電粒子同期による大気ガンマ線識別の可能性
同時・同方向(2s, (50mrad)2)
荷電粒子多重度分布

高多重度事象の1例(|Dt|<2.5s, |Dqx, y|<25mrad)
Trackベクトル(local事象除去後)

94事象(偶発5.3%)

データ
偶発期待値

Unit 4 32 1

検出器領域 78cm
偶発期待値に対して有意な超過を検出

多重度
20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 hour flight duration3 – 5 g/cm2 altitude

Alice Springs
10 m2 aperture>~36 hour 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)

Vela pulsar
Polarization observation (<50%)

SNR W44 (<200MeV, >200MeV)
Precise spectrum measurement
世界最高解像度でのVelaパルサー撮像High resolution imaging

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

Pioneering polarization
observation for highenergy g-rays

Studying cosmic ray
sources

大気ガンマ線物理
Sub-GeV領域のフラックス、東西効果

大気ニュートリノフラックス計算シミュ
レーションとの比較
ニュートリノ物理への貢献可能性

Galactic CenterObs. with ~arcmin resolution

Resolving GeV g-rayexcess at galactic center

Test of fundamental symmetries beyond the Planck scale
Transient sources
Studying transient
検出器全体に降り注ぐハドロンシャワー Obs. w/ high sensitivity
探索sources & w/ ones&
highphotonstats
21
検出器全体の新たな較正用線源や大GRPとの相関探索、GeV g-ray Pair Halo探索→IGMFを制限
気ガンマ線識別の可能性
気球実験において大きな強み科学観測実験 ロードマップ

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

Full scale

2021, Commissioning
2.5m2 aperture>15 hour flight duration<5g/cm2 altitudex2

10 m2 aperture>~36 hour flight duration<~10 g/cm2 altitude

世界最大口径面積望遠鏡の実現 Vela pulsar
GeV帯域におけるVela pulsar検出、 Polarization observation (<50%)
精密撮像
銀河中心領域拡散/点源をSNR W44 (<200MeV, >200MeV)
検出もしくは兆候を捉える Precise spectrum measurement
Transient source探索(期待値~2例) High resolution imaging

繰り返し

Pioneering polarization
observation for highenergy g-rays

Studying cosmic raysources

その他のガンマ線源検出もしくは兆候を捉える Galactic Center
Resolving GeV g-ray
・銀河面放射Obs. with ~arcmin resolution
excess at galactic center・Geminga
Test of fundamental symmetries beyond the Planck scale
・PSR J1709-4429
Transient sources
・3C 454.3
Studying transientObs.
w/highsensitivity
・Crabsources & w/ ones
&highphotonstats・Moon, PKS 1510-08, W44, Sun etc.
22
GRPとの相関探索、GeV g-ray Pair Halo探索→IGMFを制限

2021年気球実験に向けて与圧容器ゴンドラ

2.5 m2 (2 units) aperture
700kg payload

Light, Thin, 0.3atm(130kg weight)

エマルションフィルム
乳剤製造、機械塗布、品質管理
実験前処理、現像
5m

飛跡読取装置

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
現在フライトモデル製作進行中
さらに軽量化・コンパクト化が 高時間分解能実現しつつある
従来型に比べ開口面積あたりの重量が半分

23