シミュレーションによる地球近傍における 陽子・反陽子の空間分布III

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1 シミュレーションによる地球近傍における 陽子・反陽子の空間分布III
Mar JPS2005_Noda シミュレーションによる地球近傍における 陽子・反陽子の空間分布III １．はじめに（動機・目的） ２．計算モデル（作業仮説） 方程式と磁場 入射モデル エネルギースペクトル ３．結果 空間分布 到来方向分布 エネルギー分布 ４．結論と考察 普喜　満生 高知大学　教育学部　理科専修 高知市曙町2-5-1, Kochi , JAPAN Web:

2 1. はじめに 1-1 反陽子の観測実験の現状 気球実験 ⇒ 反陽子 & 陽子 人工衛星・宇宙船・宇宙ステーション（Mir/STS/ISS）
BESS, CAPRICE, etc. 人工衛星・宇宙船・宇宙ステーション（Mir/STS/ISS） 　　　　　　　 ⇒　反陽子, 陽子, 原子核，電子 AMS, HEAT, PAMERA… 数千個の反陽子が観測された ⇒　 地球近傍でどこにどのくらい“天然”の反陽子は 　　存在しているのか ?　。。。目的 コンピュータシミュレーションで空間分布とエネルギー分布を推定 反陽子の（ほとんど衝突からの２次といわれる）発生の起源の探索 JPS2003（宮崎）報告I・・・両極到来・捕捉確率・放射線帯の形成 JPS2004（福岡）報告II・・・エネルギー分布・到来方向分布 JPS2005（野田）報告III・・・今回

3 １） エネルギースペクトル ●陽子 ●反陽子（< 1/10000） Fisk BESS 反陽子はどこから？
●陽子　　　　　　　　　　　　　　　　　　　●反陽子（< 1/10000） Fisk BESS 反陽子はどこから？ Mode energy ～ 0.3 – 0.7 GeV Mode energy ～ 2.0 GeV

4 反陽子はどこにある？ ２) 放射線の空間分布 (高度400km) ●陽子 & 電子（by Mir） ●中性子（RRMD＠STS/NASDA）
Solar-min Solar-max SAA（南アメリカ異常地帯）と両極地方に多い

5 2. 計算モデル 2-1 運動の方程式 Lorentz 力 F； V＝(dx/dt, dy/dt, dz/dt) ： 速度，
　　ｍ： 質量 ， ｃ ：光速，ｑ：電荷， 　V＝(dx/dt, dy/dt, dz/dt) ： 速度， 　B：磁場 (静的)， ⇒地球磁気圏（RE<r<10RE;IGRF＋Mead補正） 　E = 0；⇒ 電場はなしとする…（共回転電場~0.1MeV）

6 2-2）地球磁気圏磁場 １）双極子モデル ２）IGRF（国際標準磁場） ３）GEOPACK（Tsyganenko） 簡単、粗い、速い
地球近傍（RE ≦ r ＜5RE ）、 SAAを説明できる ３）GEOPACK（Tsyganenko） 地球磁気圏全域（r ＜50RE ）、 　　複雑・計算時間、 日・季節・経年変化など Dipole IGRF Geopack 44 sec 373 sec 3694 RKG4,1000個,Model-I,Tmax=4sec,dt=1e-5, PentiumIII_1GHz,WinXP+C++

7 2-3 入射モデル (初期条件) 陽子 反陽子, （衝突2次起源；対発生） I） 宇宙線陽子 (磁気圏外からの一様入射)
銀河 (or 太陽) 宇宙線一次陽子 ：GCR II） ｐ ＋ Ａ → ｐ ＋ Ｘ(空気との原子核衝突から陽子発生) 生成＠20 km, アルベド(Albedo) 陽子 ：CRAP III）ｐ ＋ Ａ →　ｎ ＋ Ｘ (空気との原子核衝突から中性子発生) ｎ → ｐ ＋ e－ ＋ ν (アルベド(albedo)中性子の崩壊) τ ＝ 900sec, 発生＜１０・RE， 崩壊陽子：CRAND 反陽子, （衝突2次起源；対発生） I) 銀河宇宙線反陽子 (磁気圏外からの一様入射) II) ｐ ＋ Ａ →　ｐ ＋ ｐ ＋ ｐ－ ＋ Ｘ 　　　　　　(空気の原子核衝突から反陽子の対発生) III）ｐ ＋ Ａ →　ｐ ＋ ｎ ＋ ｎ－ ＋ Ｘ　　　　　 　　　　　　 (空気の原子核衝突から反中性子の対発生) ｎ－ → ｐ－ ＋ e＋ ＋ ν (反中性子からの崩壊)

8 2.5 計算モデルとパラメータ １）３次元運動方程式を時間について数値的に解く ２）初期入射条件としてモンテカルロ法
Adamus-Bashforth-Moulton 6th method Runge-Kutta-Gill 4th method ・・・(better) 計算範囲： RE(=6,350km)+20km ～ 10・RE（地球磁気圏内） 時間刻み： 可変，10μ秒（<1000km） ～ 10m秒（外側） 時間制限： 最大max.600秒(10分間) 磁気圏磁場: 静的, IGRF (内側) + Beard-Mead項補正 (外側) ２）初期入射条件としてモンテカルロ法 エネルギー範囲： 10 MeV ～ 10 GeV ランダム エネルギースペクトルからサンプル Em（陽子）＝0.3GeV , Em（反陽子）＝2.0GeV 出発位置と方向： ランダム（球面上一様, 等方ベクトル） モデルⅠ（地球外から入射、cosθ>0.9）、 モデルⅡ・Ⅲ（地球表面から出発） （反）中性子崩壊： 指数ランダム（τ＝900 秒），＜ 10・RE

9 ３. 結果 (1)捕捉確率（反陽子） 典型例 @ Ek＝1 GeV モデル I GCR モデルII CRAP モデルIII CRAND
３つの解（脱出・到着・捕捉） Escape …. 磁気圏からの脱出 Arrive …. 地球に到着 Trap …. 捕捉（>10分） 磁気圏内でのカオス的運動 　　(⇒ バンアレン放射線帯) ３モデルからの３解の 　　　確率（⇒右表） Ek＝1 GeV (エネルギー依存性あり) モデル I 　GCR モデルII CRAP モデルIII CRAND Escape 99 % 18 % 81 % Arrive <1 % 82 % Trap ~0 1.5%

10 ２) 空間分布(1) 脱出確率・到着確率・捕捉確率 ModelⅠ GCR モデル-II モデル-III ModelⅡ CRAP ModelⅢ
CRAND モデル-III 脱出確率・到着確率・捕捉確率

11 ２）空間分布 (2) ・） 極地方の表面分布 @400km 陽子/モデルI 反陽子/モデルI input 100,000 粒子 オーロラ帯
広く拡がる

12 ＊）宇宙線カットオフ・Rigidity分布／モデルII
両極地方に穴

13 ＊）宇宙線カットオフ・Rigidity分布／モデルII

14 ２）空間分布 (3) ・） 世界表面分布 ISS高度@400km 陽子/モデルIII 反陽子/モデルIII Input 100,000 粒子
50E 130W ・） 世界表面分布 陽子/モデルIII Input 100,000 粒子 右周り SAA、東に尾 反陽子/モデルIII 左周り SAA、西に尾 ⇒陽子 ←反陽子 Same color means same particle (orbits)

15 ２）空間分布(4) 高度分布 断面 (Φ=-50°(SAA側) ｖｓ 130°(反対側) ) ●陽子／モデルIII ●反陽子／モデルIII
陽子は 4000 km付近に多く、 反陽子は 2000 km付近に多い 低高度成分はSAA領域をつくる

16 ２）空間分布(4) 高度分布 断面 (傾斜角Θ=10°，Φ=-50°(SAA) ｖｓ 130°(反対側) )
●陽子／モデルIII ●反陽子／モデルIII 10万粒子＠１week （もう一桁⇒ 100万粒子） 陽子は 4000 km付近に多く、 反陽子は 2000 km付近に多い 低高度成分はSAA領域をつくる

17 ３) 到来方向の違い ISS軌道上 （@400km・Θ<52°） ● 陽子／モデルIII Input 100,000 粒子
上方到来: 北 下方到来: 南東 ● 反陽子／モデルIII 　 上方到来: 南西 下方到来: 西

18 ４）エネルギースペクトル Preliminary
ISS高度＠400km （放射線内帯） 反陽子／モデルIII 0.1～2GeVで増加 スペクトルの変形 もっと統計量必要 Input Observed 両極地方＠400km 反陽子／モデルI スペクトルの変形は小

19 4. 結論 （これらは定性的な結果） 宇宙線 (反)陽子 は地磁気圏外から両極地方に到着しやすい
両極地域 (高緯度;High Latitude) 宇宙線 (反)陽子 は地磁気圏外から両極地方に到着しやすい （by モデルⅠ）・・・・GCR due to Rigidity Cut-off 反陽子は陽子より広がって分布 反陽子エネルギー分布は変形されない 放射線帯中(RadiationBelts) 崩壊(反)陽子がVan-Allen放射線帯を作る (CRAND; Cosmic ray Albedo neutron decay：modelⅢ) 低エネルギー側（<0.1GeV）の崩壊陽子は広く補足される 高エネルギー側（～1GeV）の反陽子は内帯に捕捉される 反陽子は低高度(～2000km)に集まる ISS軌道高度（Altitude400km） 陽子と反陽子は同様にSAA領域に集まる 到来方向は陽子（北）と反陽子（南西）で反対方向 SAAでは尾を陽子（東）と反陽子（西）にひく （これらは定性的な結果）

20 5. 考察と今後の課題 陽子と反陽子の空間分布の定量的な考察の必要 入射条件の精密化（2次粒子の出発位置・方向）
もっと統計量！　⇒　もう一桁 100K 粒子 → 1M…..今,10K/1日(Pentium4,2GHz) 統一的な議論： ３モデル⇒１モデル 流束, p－/p比, （原子核, 同位体, 反原子核？） エネルギースペクトル, 到来方向分布. 発生率, 捕捉時間, 漏れ出し率． 時間変動 （短期, 長期, ストーム）. 太陽活動, モデュレーションなど. 他の結果との比較 理論・シミュレーション （coming）実験データ その他の太陽系効果 ・・・> 反陽子生成の起源 太陽磁場、惑星磁場（木星など）