Tsunefumi Mizuno (Stanford Linear Accelerator Center) 天体硬X線偏光検出器PoGOの概要 Tsunefumi Mizuno (Stanford Linear Accelerator Center) mizuno@SLAC.Stanford.EDU March, 2004 History of Change: updated on April 12, 2004 PoGOSeminar_2004Mar.ppt

X線での偏光観測(1):意義 偏光を作るプロセスと天体 シンクロトロン放射：磁場に垂直な偏光 Isolatedパルサー、超新星残骸、AGNからのジェットなどにおける磁場の方向 コンプトン散乱：散乱面に垂直な偏光 ブラックホール連星における降着円盤の向き 強磁場中の光子の伝播：磁場に垂直な偏光の吸収 連星パルサー(サイクロトロン共鳴)の磁場の方向 磁場や散乱のからむ現象で、系のジオメトリを決める新しいプローブ。 PoGOSeminar_2004Mar.ppt

X線での偏光観測(2):手段 偏光ベクトルに垂直方向に散乱されやすい。また90度散乱が最適。 0degree コンプトン散乱における、この異方性を用いて、2007-8年頃の気球による偏光観測をめざし、国際協力のもとPoGO (Polarized Gamma-ray Observer)の開発を進めている。 Modulation Factor= 0degree 45degree 135degree 90degree PoGOSeminar_2004Mar.ppt

硬X線偏光検出器PoGO 約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、散乱の異方性から偏光を計る。 Welcome気球実験やASTRO-E/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。 大面積、低バックグラウンド化により、一回のフライト(6時間)で十分な感度を持つ。 plastic scintillator passive/active collimator side BGO bottom BGO PMT PoGOSeminar_2004Mar.ppt

かにパルサーの観測(simulation) polar cap caustic ouer gap かにパルサーからの放射の散乱角分布(P1) P1 P2 Flux phase=0.342+-0.045 (polar cap model) phase=1.54+-0.10 (caustic model) Phase=-0.22+-0.10 (outer gap model) ベクトル 偏光 偏光度 MF=3.10+-0.65% Dyks and Rudak, ApJ, 2003 Polar cap Caustic 偏光ベクトルの位相をみることで、パルサーからの放射機構の区別が可能 Outer gap PoGOSeminar_2004Mar.ppt

PoGOの諸元 CygX-1のスペクトル エネルギーバンド 25-100keV 幾何学面積 930cm2 有効面積(for 40-50keV) 230cm2 バックグラウンド(for 40-50keV) <=10mCrab 100mCrab(100%偏光)に対するModulation Factor 24% 100mCrabに対する偏光感度 (3 sigma) 3% CygX-1のスペクトル 100mCrabの強度の天体からの信号 大気γによるバックグラウンド 20 100 keV 3σ検出限界 (10% polarization) ハードステート (BH周りの降着円盤による散乱) PoGOSeminar_2004Mar.ppt

国際協力体制 2007-8年の気球実験を目指す 米国 NASA GSFC (PI: John Mitchell) 全体統括、データ処理、気球、ゴンドラ プリンストン大学 アナログ回路、軌道上データ処理 SLAC シンチレーター(plastic)、シミュレーション、ビーム試験 日本 東工大、山形大、JAXA、広島大 光電子増倍管(PMT) スゥエーデン Royal Institute of Technology、ストックホルム大 シンチレーター(BGO)、PMT フランス Ecolo Polytehnique 反射材 2007-8年の気球実験を目指す PoGOSeminar_2004Mar.ppt

Efforts in Hardware Development (1): プリズム型PMT (a) Scintillation photons standard (EG) prismatic (EGP) PoGOSeminar_2004Mar.ppt

Efforts in Hardware Development (1): プリズム型PMT (b) 55Fe(5.9keV) プラスチックシンチレーター BGO PMT(standard/prism) 通常型PMT Npe~3.1 for 5.9keV プリズム型PMT Npe~3.5 for 5.9keV 約10%の量子効率の向上を確認 PoGOSeminar_2004Mar.ppt

Efforts in Hardware Development (2): 波形弁別 主検出部(plastic scintillator；τ~2ns)、 アクティブコリメーター(slow plastic scint. τ~200ns)、ボトムBGO(τ~300ns)を一つのPMTで読み出す experiment was done by Y. Yamashita signal from slow scint. fast(50ns)/slow(1us)2種類の時定数を持つshaping ampを用い、両者の波高の比からfast scintillatorのみのイベントを取り出す PMT Slow scinti Fast scinti Am signal from fast scint. PoGOSeminar_2004Mar.ppt

Efforts in Hardware Development(3): シンチレーターと反射材 Fe55(5.9keV) Cd109(22keV) Detectable >~1keV Pedestal テフロンテープ VM2000 High Quality done by Y. Sato VM2000を用いることで15-20%の集光率の増加が望める。また検出可能エネルギーの最小値は(PMTじか付けで)1keV程度まで下げられる。 PoGOSeminar_2004Mar.ppt

Efforts in Hardware Development (4):プロトタイプのビーム試験 様々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 60 keV, 73 keV, 83 keV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。 ビームの偏光ベクトルは水平方向：装置を15度刻みで回転。 beam direction PoGOSeminar_2004Mar.ppt

Data Acquisition System 中心のシンチレーターと、周りのシンチレーターのコインシデンスでトリガを生成 (not good) Wave Form Analyzerで波形を記録 シンチレーター間のefficiencyに差 補正のため、ch4トリガでテンプレートデータをとる。 y Ring scintillators 1 2 central scintillator 3 4 5 x 6 7 Beam Direction PoGOSeminar_2004Mar.ppt

73.2 keV Run 得られた異方性と、Geant4によるシミュレーションの比較 Geant4 ch2 ch3 ch1 ch7 ch6 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 得られた異方性と、Geant4によるシミュレーションの比較 Geant4 2 scintillators detected a hit ch2 ch3 ch1 全エネルギー (keV) ch7 ch6 ch5 中心のシンチレーターでのエネルギー (keV) Modulation Factor: ~43%(data) vs. 47%(simulation) 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で、データを、10%程度で再現することに成功。 Geant4 ver 5.1のG4LowEnergyPolarizedComptonを使用。EGS4との比較にもとづき、ユーザーによるfixを行っている。 PoGOSeminar_2004Mar.ppt

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(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~30%低いMFを返した。深沢さん(@広島大)が独立にEGS4のドキュメントを元に行った修正をGeant4に施す。 10%程度で両者は一致。Geant4チームへ報告済み。 (it was ~15% without “fix”) PoGOSeminar_2004Mar.ppt

60.2/83.5 keV Run 60.2keV 83.5 keV Geant4 Geant4 ch1 ch3 ch6 ch2 ch7 Modulation Factor: ~41%(data) vs. 46%(simulation) Modulation Factor: ~42%(data) vs. 47.5%(simulation) 残る2つのエネルギーでも、10%程度以内でデータを再現。 Modulation Factorがエネルギーにほぼよらないことを確認。 PoGOSeminar_2004Mar.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(東工大、山形大、JAXA、広島大)を含む国際協力でPoGO (Polarized Gamma-ray Observer)の開発を進めている。 井戸型フォスウィッチカウンターのデザインを採用し、大面積・低バックグラウンド化により、6時間のフライトでCrabパルサーの放射機構の解明ほか、様々な天体の観測が可能。 シミュレーションと平行して、光電子増倍管、プラスチックシンチレーター、波形弁別などの基礎実験を行なっている。 装置の性能実証と、シミュレーションプログラムの評価のためのビーム試験を行ない、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。 また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を行った。 2007-8年の気球実験を目指し、各機関で日夜(?)奮闘中。 PoGOSeminar_2004Mar.ppt

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