天体硬X線偏光検出器PoGOの 開発試験(II) 水野恒史、釜江常好、Johnny Ng、Viktor Andersson (SLAC)、 片岡淳、河合誠之、有元誠 (東工大)、 郡司修一、山下祐一郎 (山形大)、 斎藤芳隆、高橋忠幸 (JAXA)、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) PoGOの概要 PoGOプロトタイプのビーム試験 実験データ vs. シミュレーション I Geant4のプロセスの修正 実験データ vs. シミュレーション II PoGOの諸元 まとめ ASJ_2004-09-22.ppt

硬X線偏光検出器PoGO 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(日本、米国、スゥエーデン、フランス)のもとPoGO (Polarized Gamma-ray Observer)の開発を進めている。最初のターゲットはかにパルサー。 passive/active collimator ~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。 side BGO bottom BGO PMT ASJ_2004-09-22.ppt

プロトタイプのビーム試験 beam direction さまざまな議論が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) 2003年11月、米国アルゴンヌ国立研究所にて実験 水平方向に偏光した、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。装置を15度刻みで回転。 同年7月のSpring-8での実験が、本実験の成功に不可欠であった。 beam direction ASJ_2004-09-22.ppt

実験データ vs. シミュレーション(1) 得られた方位角の異方性と、Geant4によるシミュレーションの比較 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 得られた方位角の異方性と、Geant4によるシミュレーションの比較 2 scintillators detected a hit Geant4 (BG included) ch1/8 ch2/6 ch3/5 全エネルギー (keV) 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と比較すると、ビームの偏光度が100%を大きく超える->Geant4の物理プロセスに問題。理論およびEGS4との比較に基づき修正 Rayleigh 散乱の修正(New) Compton散乱の修正(Updated) Modulation Factor: 42+-1%(data) vs. >>~35%(simulation) 装置の回転角 (度) Geant4 ver 5.1のG4LowEnergyPolarizedComptonクラス、G4LowEnergyRayleighクラスを使用。 ASJ_2004-09-22.ppt

PoGO fix of Geant4 (1):Rayleigh Scattering (a)100%偏光した単色(100keV)のγ線を入射 (b)217ユニットのプラスチックシンチレータ(full size PoGO)に、100%偏光したCrabのスペクトル(25-200keV)を入射 Rayleigh散乱後の偏光ベクトルと運動量ベクトルのなす角 初回のコンプトン散乱の際の、方位角の異方性 -- Geant4 (original) -- Geant4 (with PoGO-fix) cos(theta) G4のRayleigh散乱には偏光のプロセスがなく、結果として偏光の情報が失われる->修正 -- Geant4 (original) : MF=46.5% -- Geant4 (with fix) : MF=49.4% -- EGS4 : MF=49.4% 散乱の方位角(度) ASJ_2004-09-22.ppt

PoGO fix of Geant4 (2): Compton Scattering (a)100%偏光した単色(100keV)のγ線を入射 217ユニットのプラスチックシンチレータ(full size PoGO)に、100%偏光したCrabのスペクトル(25-200keV)を入射 前方Compton散乱後の偏光ベクトルの向き(Thomson極限) 2回めのコンプトン散乱の際の、方位角の異方性 -- Geant4 (original) -- Geant4 (with PoGO-fix) 方位角(度) G4でCompton散乱の際、偏光ベクトルの向きがばらばらにされ、次の散乱での異方性がなまされる->修正 Rayleigh散乱、コンプトン散乱のプロセス修正後のG4は、PoGOのエネルギー範囲でEGS4と数%で一致 -- Geant4 (original) : MF=16.7% -- Geant4 (with fix) : MF=32.5% -- EGS4 : MF=32.5% 散乱の方位角(度) ASJ_2004-09-22.ppt

実験データ vs. シミュレーション(2) 得られた方位角の異方性と、Geant4によるシミュレーションの比較 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 得られた方位角の異方性と、Geant4によるシミュレーションの比較 2 scintillators detected a hit Geant4 (BG included) Geant4の修正により、実データを10%程度で説明可能。 残りの差：シミュレーションの不定性(2-3%)、実験の不定性(装置のアライメント、etc.) Modulation Factor: 42+-1%(data) vs. ~47%(simulation) ch1/7 ch2/6 ch3/5 全エネルギー (keV) 中心のシンチレーターでのエネルギー (keV) 装置の回転角 (度) ASJ_2004-09-22.ppt

100mCrab(100%偏光)によるモジュレーションカーブ PoGOの諸元 エネルギーバンド 30-80keV 幾何学面積/有効面積(40-50keV) 930/230cm2 スレッショルド(fast/slow scintillator) 3/30-50 keV バックグラウンド(for 40-50keV) <=10mCrab 100mCrab(100%偏光)に対するModulation Factor 22% 100mCrabに対する検出可能な偏光度 (3 sigma) 10% 上向き大気γ線によるバックグラウンド (Sn collimator of 100um) 100mCrab(100%偏光)によるモジュレーションカーブ 100mCrab (incident) 100mCrab (detected) Flux(c/s/cm2/keV) MF=21.9+-0.7% (including BG) MF=26.3+-0.8% 大気γによるバックグラウンド Eth=10keV, 30keV, 100keV, 300keV and 1MeV 散乱の方位角(ラジアン) エネルギー(keV) 20 100 ASJ_2004-09-22.ppt

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。 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。この際、理論および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、論文投稿(NIMA)を行った。 実験室における光電子増倍管、シンチレーターの試験などを通し、想定している性能を発揮できることを確認しつつある。 今年・来年に、エネルギー帯を広げる、ユニットを増やす、slow scintillator、bottom/side BGOを取り付けるなどの拡張を施したプロトタイプでのビーム試験(KEK/アルゴンヌ)、実験室での偏光測定試験を行う。 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。 ASJ_2004-09-22.ppt

Appendix A:偏光プロセスの修正 (a) (a1) (a2) (b) コンプトン散乱の全断面積： (a) 元の光子の偏光ベクトルと散乱後の運動量ベクトルのなす面上の成分： (a1) (a1)に垂直な成分： (a2) a1,a2より決まる、散乱後の光子の偏光度： (b) オリジナルのG4が、(a)の関数形(~cos2(theta))で偏光ベクトルをばらばらにしていたのを、(b)に従い偏光度を計算し偏光ベクトルを分布させるように修正。Thomson散乱(in Rayleigh散乱)はコンプトン散乱の極限としてコーディング ASJ_2004-09-22.ppt

Appendix B: 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、Rayleigh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~40%低いMFを返した。Rayleigh散乱、コンプトン散乱に問題を見つけ修正。修正後のG4はEGS4と2%程度で一致。 -- Geant4 (original) : MF=12.4% -- Geant4 (with fix) : MF=22.2% -- EGS4 : MF=21.8% ASJ_2004-09-22.ppt