Stanford Linear Accelerator Center April 7, 2004 written by T. Mizuno γ線衛星GLASTの概要と気球実験のデータ解析 Tsunefumi Mizuno Stanford Linear Accelerator Center mizuno@SLAC.Stanford.EDU History of Changes: April 7, 2004 written by T. Mizuno April 14, 2004 updated April 17, 2004 updated

Outline of this talk The GLAST Large Area Telescope (pp. 3-5) Gamma-Ray Sky (pp. 6, 7) Science Objectives (pp. 8, 9) Schedule (p. 10) 1997/1999 Beam Test (p. 11) Test of Engineering Model (p. 12) Glast Balloon Experiment (p. 13) Monte-Carlo Simulator and Cosmic-Ray Models (pp. 14-17) Balloon Flight Operation (pp. 18) Data Analysis (pp. 19-22) Charged Events (pp. 19, 20) Neutral Events (pp. 21, 22) Summary (p.24)

GLAST Large Area Telescope GLAST (Gamma-ray Large Area Space Telescope)=LAT+GBM LAT: Large Area Telescope 4X4=16 towers 3000kg, 650 W, 1.8x1.8x1m3 (30MeV-300GeV) TKR(U.S.A., Japan, Italy): Si-Strip Tracker with Lead converter 18 X-Y tracking planes, 228um pitch, 8x105 channels γ線のidentification 到来方向の測定 e+ e–  ACD(U.S.A.): Segmented 89 plastic scintillator tiles 荷電粒子backgroundの除去 セグメント化で高エネルギーでのself-vetoを減らす CAL(U.S.A., France, Sweden): Hodoscopic array of 1536 CsI(Tl) scintillators (8 layers in each tower) Showerの発達を追い、エネルギーを測定

X-Ray telescope vs. Gamma-Ray telescope photon cross section in Lead 数10MeV以上の領域はpair creationが卓越する。 広いエネルギーバンド γ線の到来方向の情報は対生成された電子陽電子対が持つため、collimatorや光学系が不要。　　　　広視野 X線望遠鏡 大有効面積 高エネルギー分解能 低バックグラウンド 狭い視野 γ線望遠鏡 中程度の有効面積、エネルギー分解能、バックグラウンド 広い視野

GLAST vs. other missions Angular Resolution LATによるγ線宇宙の観測 広視野 (~2sr、全天の20%) 高位置分解能 (10’ in E>10 GeV) 大有効面積 (~10000 cm-2) 圧倒的高感度 EGRET Sensitivity Effective Area 0.1 1 10 100 GeV 高感度の実現には、軌道上で装置と宇宙線の相互作用で生じるbackgroundを効率よく落とす必要がある。 “正しい”宇宙線フラックスモデル+シミュレーション。

Gamma-Ray Sky(1): EGRET EGRET All Sky map and 3rd Catalogue (E>=100 MeV) diffuse+271 sources, 172 unidentified 3C279 Vela Cygnus Region Geminga Crab PKS 0528+134 AGN - blazars unidentified pulsars LMC LMC PKS 0208-512

Gamma-Ray Sky(2): LAT Gamma-Ray Sky LAT: scanning mode <--> EGRET: pointing mode 100 sec EGRET Fluxes 3C279 flare Vela Pulsar Crab Pulsar 3C279 quiescent EGRET 5sigma sources ~ a few days with LAT 1 orbit 2 year, ~10000 sources 1 day GRB, AGN, 3EG + Gal. plane & halo sources

Science Objectives (1) AGN jet, Pulsar, SNRの放射機構の解明 広いバンドでのエネルギースペクトル、高空間分解能を生かし、電子、陽子の加速の現場をおさえる。 EGRET unidentified sourcesの同定 高空間分解能 EGRET/GLAST 95% error circles with X-ray/radio sources’ location SNR γ-Cygni (image) spectrum

Science Objectives (2) 銀河系、近傍銀河の宇宙線と物質分布 pi0 decay(陽子)、bremsstrahlung/inverse compton(電子)によるγ線を捕らえることで、高エネルギー粒子と物質の分布を求める。 γ線バースト、AGNフレア、トランジェント天体(BH連星など)の観測 広視野を生かし、活動的な天体を常時モニターし放射機構に迫る。 Giant Molecular Clouds in Cygnus Region EGRET GLAST Pi0-flux measurement by GLAST will determine the mass of GMCs.

Schedule (could be modified) Calendar Years 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2011 hardware tests reviews Schedule Float EM test Preliminary Design Review TKR & CAL FM A/B Scheduled Completion Scheduled LAT Delivery Critical Design Review 1997/1999 Beam test Balloon Flight Begin LAT I&T Launch Ops. Prelim. & Sys. Design Final Design Engr’g Models Build & Test Flight Units LAT I&T Observatory I&T FABRICATION PHASE COMMISSIONING PHASE

Appendix: 1997/1999 Beam Test Beat Test Engineering Model: single tower composed of TKR/CAL/ACD # of hit strips per layer (Hit multiplicity) =shower development in TKR (do Couto e Silva et al., 2001, NIMA474) 0deg. Incident middle layer 30deg. Incident middle layer PSF vs. Energy (W. Atwood et al., 2000, NIMA) 0deg. Incident lower layer 30deg. Incident lower layer

Appendix: Test of Engineering Model EM: mini-tower(3 x-y layers) (Courtesy of E. do Couto e Silva) TOT (time over threshold): 低消費電力でエネルギー情報を得、粒子の弁別に利用。 gamma(e-+e+): 2MIP Energy measured by CAL cocmic Ray(muon): 1MIP 17.6MeV 14.6MeV

The GLAST Balloon Experiment Balloon Flight Engineering Model (BFEM) Objectives: LATの基本デザインをタワー1個のレベルで検証。 宇宙空間に似た高い放射線環境下で、データ取得が可能なことを示す。 宇宙線事象を取得し、LATのための、バックグラウンドのデータベースとして用いる。 eXternal Gamma-ray Target(XGT) ACD TKR (inside) CAL 日本グループ(広島大、宇宙研)が宇宙線フラックスモデルと検出器シミュレーターを開発。 Support Structure

Simulator and Cosmic-Ray Flux Models Geant4 toolkitを用いたMonte-Carlo装置シミュレーター 宇宙線バックグラウンドフラックスモデル 太陽活動、地磁気の影響を取り込む 広いエネルギー範囲(10MeV-100GeV)を扱う 全立体角を扱う 解析関数でスペクトルを表す 主要な粒子をモデル化 陽子: primary/secondary α線: primary 電子陽電子: primary/secondary γ線: primary, secondary (downward/upward) ミュー粒子: secondary (most of them are expected in satellite orbit) XGT ACD TKR CAL Pressure Vessel Support Structure

Cosmic-Ray Model(1): Proton (satellite orbit) Solar modulation formula given by Gleeson and Axford (1968) Our formular for geomagnetic cutoff Secondary(E): analytic function to reproduce AMS data Uniform angular distribution is assumed for primary and secondary AMSによる陽子スペクトルのデータ(高度380km、鉛直方向)と我々のモデル関数

Cosmic-Ray Model(2): Proton (balloon altitude) Primary: 大気の吸収を除き、flux/角度分布ともlow earth orbitと同じ (uniform)。 Secondary: low earth orbitの数倍のflux、残留大気圧に比例 (1/cos(theta)) downward flux (balloon altitude) downward flux (low earth orbit) our model of primary, uniform constant 1/cos(theta) secondary upward secondary downward 本気球実験で仮定した陽子の天頂角分布モデル

Cosmic-Ray Model(3): Gamma 天頂角分布 Energy spectrum 大気γ(upward) Schonfelder et al. 1977 Earth Rim 0.01 1GeV 100 downward upward 大気γのフラックス、角度分布はほとんど分かっていない LATのプロトタイプで確認する。 α線、電子陽電子、ミュー粒子についても観測をもとにモデル化。データと詳細に比較し、フラックス、角度分布を調べる。

Balloon Flight Operation 2001年8月@Palestine, Texas (NSBF: National Scientific Balloon Facility) 高度38kmで約3時間のレベルフライトを達成 Trigger rate vs. atmospheric depth 1.2kHz maximum (~500Hz is predicted for each tower of LAT) 1.4 kHz 1.0 small leakage of the PV 3.8g cm-2 500Hz in level flight 放球 payload 回収 1 10 100 g cm-2 1kHzを超える高カウントレート下で、装置、DAQが動作することを確認。 テレメトリを介し、~100kのレベルフライトデータを取得。

Count Rate of Each Layer for “Charged Events” (Hit in ACD) trigger rate (data): ~440Hz simulation total: muon : 39 Hz gamma : 54 Hz e-/e+ :110 Hz alpha : 19 Hz proton : 216 Hz primary secondary upward downward 全26枚のSi layerで、データを数%で再現することに成功。 Count rate of each layer for “Charged Events” Incomplete layers (partially covered with Si) complete layers 26 Si layers (13 planes: x-y pair) CAL ACD TKR

Angular Distribution of “Charged Events” 天頂角分布 (single/straight track) gamma Real Data (level flight) e-/e+ alpha proton(secondary) muon proton(primary) BFEM/LAT has sensitivity in large zenith angle. horizontal cos (theta) downward cosmic-ray flux is poorly known. CR model based on AMS/BESS/CAPRICE cos(theta)~0.3 (0-70度)までの広い範囲に渡り、フラックス、角度分布を正しくモデル化。

Count Rate of Each Layer for “Neutral Events” (no Hit in ACD) Real Data (level flight) trigger rate (data): ~58Hz simulation total: ~61Hz muon : 0.5Hz gamma upward : 26.8 Hz gamma downward: 16.8Hz e-/e+ : 12.3Hz alpha : 0.1Hz proton : 4.8Hz γ線事象も全Si layerに渡り、数%内でデータを再現。 thick Lead thin Lead converters no Lead low energy e-/e+ from under the ACD gamma e-

Angular Distribution of atmospheric gamma 天頂角分布 gamma upward candidate gamma downward candidate data gamma upward gamma upward gamma downward gamma downward proton e-/e+ upward cos (theta) horizontal cos (theta) downward 下向き大気γ線はcos(theta)=1~0.3 (0-70度)まで、上向き成分はcos(theta)=-1~-0.3(180-110度)までの範囲に渡って、Flux・角分布を正しくモデル化。 Future Plan: 宇宙線フラックスモデル、Geant4 シミュレーターを用い、LATにおけるBG除去のアルゴリズムの開発、BGレベルの評価 を行う。

Summary GLAST LAT (Large Area Telescope)は広い視野、高角度分解能などを生かし、EGRETの数十倍の感度でγ線天文学に新境地を開くことを目指す 粒子加速 銀河系内の宇宙線、物質分布 EGRET未同定天体の同定 etc. ビームテストやEngineering Modelの試験を通し、装置の基本的な性能確認を行っている。 さらに、宇宙空間に近い環境下での装置の動作確認とバックグラウンド事象の取得を目指し、2001年8月に気球実験を行った。 高度38kmで約3時間のレベルフライトを達成。テレメトリを介し、~100kのイベントを取得 Geant4によるsimulatorと宇宙線フラックスモデルを開発。データを10%で再現することに成功。 装置の動作確認、BG事象の取得。 本実験で得られた知見を、GLASTへフィードバックし、BG filterの開発や感度の予測などを行う。

Appendix: International Collaboration  Si Tracker ACD UCSC INFN NASA/GSFC Hiroshima Univ. Grid (& Thermal Radiators) SLAC Electronics, Data Acquisition & Flight Software CsI Calorimeter NRL Stanford Univ., SLAC CEA, IN2P3, Ecole Polytechnique Science Analysis Software Univ. of Washington, NASA/GSFC, SLAC KTH, Stockholm Univ. INFN

Appendix: CR Proton model for balloon altitude (1) 大気の吸収を除き、primary fluxはlow earth orbitのそれと同じ。 気球高度のsecondary fluxはlow earth orbitのそれより数倍高く、残留大気圧に比例 secondary primary

Appendix: CR Proton model for balloon altitude (2) 大気の吸収を除き、primary fluxはlow earth orbitのそれと同じ (uniform)。 気球高度のsecondary fluxはlow earth orbitのそれより数倍高く、残留大気圧に比例 (1/cos(theta)) our model of primary, uniform secondary downward secondary upward 1/cos(theta) constant GLAST気球実験用の、陽子の天頂角分布モデル

Appendix: GLAST Balloon Flight 2001年8月@Palestine, Texas (NSBF: National Scientific Balloon Facility) 放球 payload 回収

Appendix: Sample of Obtained Events Total Trigger rate: ~500Hz “Charged Events” (Hit in ACD) :~439Hz<-->439Hz by sim. “Neutral Events” (no Hit in ACD):~58Hz<-->61Hz by sim. “Charged Events” “Neutral Events” ACD TKR MIP passed ACD, TKR and CAL gamma-ray was converted in TKR Z Z X Y CAL ACDの情報とTKRのhit patternを見ることで、荷電粒子とγ線の識別が可能。

Appendix: Selection of Straight Track TKR内のトラックの情報(straightness)からproton/alpha/muonを選び出し、角度分布を調べる。 data vs. simulation Real Data Simulation (total) possible misalignment e-/e+ gamma proton alpha muon Simulation (total) (simulation) real data chi2 = 0.02 straight track proton, alpha, muon e-, e+ gamma->e-/e+ straightness of the track

Angular Distribution of atmospheric downward gamma 下向きのγ線事象を選び、データとモデルで角分布を比較 neutral events double track, downward “V” cos(theta)=1~0.3 (0-70度)まで10%程度内でデータを再現することに成功。 下向きγのFlux・角分布を正しくモデル化。 data gamma upward gamma downward proton e-/e+ horizontal cos (theta) downward

Angular Distribution of atmospheric upward gamma 上向きγ線事象を選び、角度分布をデータとモデルで比較 no hit in CAL (allow hit in ACD) double track, upward ”V” cos (theta) upward horizontal data gamma upward e-/e+ proton gamma downward alpha cos(theta)=-1.0~-0.3 (180-110度)まで10%程度内でデータを再現することに成功。 Future Plan: 宇宙線フラックスモデル、Geant4 シミュレーターを用い、LATにおけるBG除去のアルゴリズムの開発、BGレベルの評価 を行う。

Appendix: East-West Effect seen in Data Time history of azimuth direction of the BFEM East West Forbidden Trajectory Allowed Trajectory flux from east <= from west (positive charged particle) 1st almost opposite direction radian 2nd 荷電粒子事象の方位角分布(difference between two regions) 2 from east in 2nd region We saw the east-west effect in our data. 2 azimuth angle from x-axis 6

Appendix: DC1(Data Challenge 1) Data RA-DEC image LATの1日の観測データ(simulation)を提供し、ユーザーがデータ形式や解析ツールに慣れることを目的とする。e.g., source detection, burst search, spectral analysis, etc. データはFITSおよびROOT形式で与えられる。 詳細はhttp://www-glast.slac.stanford.edu/software/DataChallenges/DC1/DC1_StatusAndInfo.htmを参照。 Galactic longitude vs. latitude Cygnus Region Geminga Vela Galactic Center Crab