SMILE-IIシミュレーション 岸本 祐二.

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1 SMILE-IIシミュレーション 岸本 祐二

2 Ｃｏｎｔｅｎｔｓ Ⅰ、結論 Ⅱ、計算の詳細 現実的な選択肢
（１） 検出効率の見積もり （２） 大樹町でのＳｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅ （３） キルナでのＳｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅ （付録１） 計算パラメーター依存性について （付録２） ベッセルの２層化について （付録３） 姿勢制御の効果

3 Ⅰ、結論

4 シミュレーションの結果から実現可能と判断できる選択肢は以下の通りである
現実的な選択肢 シミュレーションの結果から実現可能と判断できる選択肢は以下の通りである ① ２０１３年キルナでＣｙｇｎｕｓＸ－１を１４日間観測 （観測条件）　４０ｋｍ、１４日間 （検出器に必要な条件）　高橋ガス１．５気圧、TPC容器２層化、姿勢制御 →　5.11σ　　　　（高度３５ｋｍなら３３日間で5.07σ） ② ２０１３年キルナでＣｒａｂを１８日間観測 （観測条件）　４０ｋｍ、１８日間 →　5.13σ　　　　（高度３５ｋｍなら４１日間で5.01σ） ③ 天体観測以外の目標を探す ※検出器に必要な条件は次ページの改良の効果を考慮して見積もっている。セレクションの改良効果も計算に入っている キルナでのフライトの前には、検出器以外の装置（特に電源周り）の試験を行うべき （α）　２０１２年大樹町で検出器以外の装置の試験 （β）　２０１２年キルナで検出器以外の装置の試験 上記の①～③と（α）、（β）いずれかの組み合わせが現実的

5 （現実的にできる）改良の効果 ＜Ａ＞～＜Ｅ＞全部やると ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ ×４．５
＜Ａ＞　ガスを１．５気圧にする　・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ → Ｒｅｆ．高橋修論 ＜Ｂ＞　ベッセルの２層化　・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ → Ｒｅｆ．Ｐ４０ ＜Ｃ＞　姿勢を制御し天体追尾　・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ → Ｒｅｆ．Ｐ４２ ＜Ｄ＞　αカットの代わりにＤｅｌｔａカット　・・・・・・・・・・・・・・・・ → Ｒｅｆ．Ｐ３６ ＜Ｅ＞　ＰＳＦカットの最適化　・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ → Ｒｅｆ．Ｐ３１ Ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅが何倍になるか ＜Ａ＞～＜Ｅ＞全部やると　・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・　×４．５ １．１１σ以上の観測条件ならば改良を施した場合に５σを達成できる

6 Ⅱ、計算の詳細

7 （１） 検出効率の見積もり

8 シミュレーション条件 TPC 入射γ線 * Fiducial volume: 28 cm×28 cm×28 cm * 平行光
* Gas: Ar : CF4 : iC4H = 54 : 40 : 6（分圧比）, 1atm * アルミハニカムフランジ使用 * SMILE-Iと同等のEncoding Simulatiorを使用 * 解析方法もSMILE-Iと同様 GSO PSAs * Pixel Size: GSO, 6 mm×6 mm×13 mm * PSA: (8×8 pixels)×1 PMTs, 4端読み出し * ピクセル間の光漏れはSMILE-I simulatiorと同様 * 底面: 8×9 PMTs * 側面: 4×1+ 2 PMTs（底面重視モデル②） * 治具無し * 解析方法はSMILE-Iと同じ 入射γ線 　　* 平行光 　　* ０度入射 セレクション * Nhit > 3 * single GSO-Unit hit * Le/[cm] - (3.42e-3 * Ke/[keV] ^1.67) < 2 * Fiducial volume中にコンプトン点がなければカット * Ke > 15 keV * Rconstructable * |Δα| < 20 degree * photo-peakのみセレクト その他のジオメトリ * ETCCは1台のみ * 与圧ベッセルあり * ゴンドラなし * 回路系なし

9 ジオメトリ 各側面のヘッドアンプの配置 断面図 検出器の概観 与圧容器の中に配置（ＥＴＣＣ１台） ＜Ｈ８５００＞ 底面： ８×９＝７２個
側面： ３６×４面＝１４４個 計： ２１６個 各側面のヘッドアンプの配置 断面図 ＜ヘッドアンプ＞ 底面： ３×４＝１２個 側面： （２＋４）×４面＝２４個 計： ３６個 ＜与圧容器＞ 材質：Ａｌ 底面：１００ｃｍφ（４ｍｍ厚） 側面： １００ｃｍφ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 ×１４０ｃｍ（３ｍｍ厚） 検出器の概観 与圧容器の中に配置（ＥＴＣＣ１台）

10 検出効率 コンプトン確率 Nhit >= 3 反跳電子がガス中に全てのエネルギーを落とす 散乱γがシンチに全てのエネルギーを落とす コンプトン点と放出方向を求められる １本のPMTに全てのエネルギーを落としている |α_kin – α_geo| < 20deg コンプトン点がfiducial volume(28×28×28cm3)中にある 反跳電子のエネルギーとtrack lengthによるカット後　（式は※1） Energy cut後　（式は※2） se PSF cut後　（※3） ※１　｜L － * E ｜ > ２　ならカット　（L : track length [cm], E : 反跳電子のエネルギー [keV] ） ※２　R（E0）= * sqrt(356) / sqrt(E0) として、｜E －E0｜ > R（E0） ならカット （E0 : 入射γのエネルギー [keV]，E : 再構成γのエネルギー [keV]，R（E0）エネルギー分解能（HWHM）） ※３　再構成γと入射γのなす角がPSF（E）以上の場合はカット （E : 入射γのエネルギー, PSF（E） : simulationから求めたPSF（HWHM））

11 検出効率が大きく落ちているところの解釈 ① ② ③ ④ ①高エネルギー側では反跳電子が外に抜けてしまっている
コンプトン確率 ① Nhit >= 3 反跳電子がガス中に全てのエネルギーを落とす ② ③ 散乱γがシンチに全てのエネルギーを落とす コンプトン点と放出方向を求められる ④ １本のPMTに全てのエネルギーを落としている |α_kin – α_geo| < 20deg コンプトン点がfiducial volume(28×28×28cm3)中にある 反跳電子のエネルギーとtrack lengthによるカット後　（式は※1） Energy cut後　（式は※2） se PSF cut後　（※3） ①高エネルギー側では反跳電子が外に抜けてしまっている ②散乱γがGSOで再びコンプトン散乱してしまう & GSOに到達する前にベッセル等と相互作用してしまう & 散乱γが入射窓やシンチの隙間から逃げてしまう ③正しくαが取れていない→トラッキングがうまくできていない or セレクションが良くない ④これは原理的に大体４分の１位になる

12 ②の要因の追求 デフォルト ベッセルを除いた場合 低エネルギー側でベッセルによる損失は見えるが、それだけでは説明がつかなかった

13 それ以外の要因 ・入射窓から散乱γが逃げていったイベント ・側面シンチと底面シンチの間から散乱γが逃げていっ　　たイベント

14 検出効率を上げるには（長期的な視点で） GSO BGO 飛躍的には改善しない ～400keV ～500keV
①高エネルギー側では反跳電子が外に抜けてしまっている →　ドリフトケージ内に電子吸収体を入れる、ガス領域のサイズアップ ② 散乱γがGSOで再びコンプトン散乱してしまう → もっと重たいシンチを考えるか？ → 飛躍的には向上しなそう（右図） GSOに到達する前にベッセルと相互作用してしまう → ベッセルの２層化、ベッセルを軽い物質でつくる ③正しくαが取れていない　or セレクションが良くない →トラッキングアルゴリズムの改善 or セレクションの最適化 ④PSFカットは原理的に大体４分の１のイベントを落とすのでこれは仕方がない GSO BGO 飛躍的には改善しない ～400keV Gd : Z=64 Si : Z=14 O: Z=8 Bi : Z=83 Ge : Z=32 O: Z=8 ～500keV （その他）　ＴＰＣ－Ⅲモードに移行することで解析効率が上がらないか？　　　　 ＴＰＣ－Ⅲモードで取得したデータに対してＴＰＣ－Ｉと同等の解析をやったら大体コンシステントな解析効率になるという結果は出ているが、ＴＰＣ－Ⅲモードに特化した解析はまだ試していないとのこと（ｂｙ株木さん）→解析効率が上がる可能性はまだある

15 （参考）イメージング性能 ARM SPD PSF

16 （２） 大樹町でのＳｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅ

17 CrabのSignificance計算 ・Ｃｒａｂのエレベーションの推移（2011.5.31） ・Crabのflux
Fneb(E) = 37.5*10-5(E/100keV)-2.18 [photons/cm2 sec keV] Fpul(E) = 7.6*10-5(E/100keV)-2.04 [photons/cm2 sec keV] FCrab(E)=Fneb(E)+Fpul(E) 　　ref: L.M.Bartlett et al. AIP conf. Proc. 304 (1994) 67 ・バックグラウンドのflux Extended Ling’s model Lingのバックグラウンドモデルは３００keVまで しか値が示されていないが、それをpower law で １００keVまでのばしたもの。天頂角依存性も入っている。 ref: 高田さんがApJに投稿中の論文 大樹町多目的航空公園での打ち上げを仮定 42°29’58.44” °26’10.89” ・入射角依存性 ・視野 　シミュレーションから得られた　 　PSF のFWHMを視野とする。

18 Significanceの定義 Significance = S /sqrt(S+２B) ・・・ 視野内のBGのみで計算する場合
S = FCrab(E) * A * cos(θ) * Katt(E,d) * D’(E) * Kang(θ) B = Fｂｇ(E，ｄ，θ) * A * cos(θ) * Ω(E) * D(E) * Kang(θ) E： エネルギー A： 検出面積（28×28cm2） θ: 入射角 D’(E)： 検出効率（視野で切り取った影響を含む） D(E): 検出効率（視野で切り取った影響を含まない） Kang(θ): D（E)の入射角依存性（300keVのデータを使用） Katt(E, d): 大気による減衰率(d: 大気深さ) Ω（E）: 視野（立体角）←PSFのFWHMとしている

19 大樹町でCrabを観測した場合のSignificance
100keV～1050keV、検出面積A＝28×28cm2、観測時間T＝（南中を挟む）3時間観測、高度35ｋｍ Crabから飛来するフォトンの数 BGフォトンの数 = [photons] = [photons] 大気による減衰を考慮 検出効率を考慮 = [photons] = 89.8 [photons] 検出効率を考慮 Crab観測時と同じエレベーションを考慮 = 5.9 [photons] Crabのエレベーションを考慮 = 49.2 [photons] = 3.2 [photons] 上記の値からＳｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅを求めると S/sqrt(S+2B) = 0.32，　　S/sqrt(S+B) = 0.45 現状ではこの程度しかいかない

20 これらの改良を施しても５σを達成するのは難しい
単純計算① ガスを２気圧にしたら・・・ Crab : 6.5 [photons], Bg : 98.4 [photons] →　　S/sqrt(S+2B) = 0.45, S/sqrt(S+B) = 0.63 ガスを２気圧、ETCC×２台にしたら・・・ Crab : 12.9 [photons], Bg : [photons] →　　S/sqrt(S+2B) = 0.64, S/sqrt(S+B) = 0.89 ガスを２気圧、ETCC×２台、解析効率が現状の３倍になったら・・・ Crab : 38.7 [photons], Bg : [photons] →　　S/sqrt(S+2B) = 1.11, S/sqrt(S+B) = 1.54 ガスを２気圧、ETCC×２台、解析効率が現状の３倍、ETCCを４０ｃｍ３に拡張したら・・・ Crab : 68.9 [photons], Bg : [photons] →　　S/sqrt(S+2B) = 1.48, S/sqrt(S+B) = 2.06 これらの改良を施しても５σを達成するのは難しい

21 大樹町のＣｒａｂを高度３５ｋｍ、３時間で狙うならば、現状の１３０倍のＥｆｆｉｃｉｅｎｃｙが必要
単純計算② Efficiency × 10 Crab : 32.3 [photons], Bg : [photons] →　　S/sqrt(S+2B) = 1.01, S/sqrt(S+B) = 1.41 Efficiency × 20 Crab : 64.6 [photons], Bg : [photons] →　　S/sqrt(S+2B) = 1.43, S/sqrt(S+B) = 1.99 Efficiency × 50 Crab : [photons], Bg : [photons] →　　S/sqrt(S+2B) = 2.26, S/sqrt(S+B) = 3.15 Efficiency × 130 Crab : [photons], Bg : [photons] →　　S/sqrt(S+2B) = 3.65, S/sqrt(S+B) = 5.08 大樹町のＣｒａｂを高度３５ｋｍ、３時間で狙うならば、現状の１３０倍のＥｆｆｉｃｉｅｎｃｙが必要

22 （３） キルナでのＳｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅ

23 Crab, Cygnusのフラックス、エレベーション
・Crabのflux ・Cygnus X-1のflux Fneb(E) = 37.5*10-5(E/100keV)-2.18 [photons/cm2 sec keV] Fpul(E) = 7.6*10-5(E/100keV)-2.04 [photons/cm2 sec keV] FCrab(E)=Fneb(E)+Fpul(E) 　　ref: L.M.Bartlett et al. AIP conf. Proc. 304 (1994) 67 Fcyg(E) = 0.533*E-1.39 *exp(-E/158) [photons/cm2 sec keV] 　　ref: B. F. Philips et al. APJ 465 (1996) Ｃｒａｂ　Ｎｅｂｕｌａ Ｃｙｇｎｕｓ　Ｘ－１ ・ Stellarium使用 ・ キルナ 　　　67°52′12″Ｎ、　21°4′12″Ｅ ・ ２０１２年６月１日についてのエレベーション

24 ＫｉｒｕｎａでのＢＧ（とりあえずγだけ考える）
三陸の４～５倍 高田さんの計算

25 Ｋｉｒｕｎａでの感度予測（Ｃｒａｂ） 高度35km 南中を跨ぐ１０時間観測（高度35km） 南中を跨ぐ１０時間×１０日間観測（高度35km）
Crab : 5.26 [photons], Bg : 90.8 [photons] →　　S/sqrt(S+2B) = 0.38, S/sqrt(S+B) = 0.54 南中を跨ぐ１０時間×１０日間観測（高度35km） Crab : 52.6 [photons], Bg : [photons] →　　S/sqrt(S+2B) = 1.22, S/sqrt(S+B) = 1.70 南中を跨ぐ１０時間×１０日間観測（高度35km、ＢＧ５倍） Crab : 52.6 [photons], Bg : [photons] →　　S/sqrt(S+2B) = 0.55, S/sqrt(S+B) = 0.78

26 Ｋｉｒｕｎａでの感度予測（Ｃｒａｂ） 高度40km 南中を跨ぐ１０時間観測（高度40km） 南中を跨ぐ１０時間×１０日間観測（高度40km）
Crab : 7.41 [photons], Bg : 76.0 [photons] →　　S/sqrt(S+2B) = 0.59, S/sqrt(S+B) = 0.81 南中を跨ぐ１０時間×１０日間観測（高度40km） Crab : 74.1 [photons], Bg : [photons] →　　S/sqrt(S+2B) = 1.85, S/sqrt(S+B) = 2.56 南中を跨ぐ１０時間×１０日間観測（高度40km、ＢＧ５倍） Crab : 74.1 [photons], Bg : [photons] →　　S/sqrt(S+2B) = 0.85, S/sqrt(S+B) = 1.19

27 Ｋｉｒｕｎａでの感度予測（Ｃygnus X-1）
高度35km 南中を跨ぐ２４時間観測（高度35km） Cｙｇｎｕｓ : 7.80 [photons], Bg : [photons] →　　S/sqrt(S+2B) = 0.43, S/sqrt(S+B) = 0.60 南中を跨ぐ２４時間×１０日間観測（高度35km） Cｙｇｎｕｓ : 78.0 [photons], Bg : [photons] →　　S/sqrt(S+2B) = 1.37, S/sqrt(S+B) = 1.91 南中を跨ぐ２４時間×１０日間観測（高度35km、ＢＧ５倍） Cｙｇｎｕｓ : 78.0 [photons], Bg : [photons] →　　S/sqrt(S+2B) = 0.62, S/sqrt(S+B) = 0.87

28 Ｋｉｒｕｎａでの感度予測（Ｃygnus X-1）
高度40km 南中を跨ぐ２４時間観測（高度40km） Cｙｇｎｕｓ : 11.1 [photons], Bg : [photons] →　　S/sqrt(S+2B) = 0.67, S/sqrt(S+B) = 0.93 南中を跨ぐ２４時間×１０日間観測（高度40km） Cｙｇｎｕｓ : [photons], Bg : [photons] →　　S/sqrt(S+2B) = 2.12, S/sqrt(S+B) = 2.94 南中を跨ぐ２４時間×１０日間観測（高度40km、ＢＧ５倍） Cｙｇｎｕｓ : [photons], Bg : [photons] →　　S/sqrt(S+2B) = 0.96, S/sqrt(S+B) = 1.36

29 （付録１） 計算パラメーター依存性について

30 ＰＳＦのＨＷＨＭ以上の領域で切り取った場合のＳｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅ
ＰＳＦのＨＷＨＭ以上の領域で切り取ると、Ｓ／Ｎは今より悪くなるが、Ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅとしては得をする可能性がある。ＰＳＦのＨＷＨＭより広い範囲で切り取った場合をいくつか調べてみた。 100keV～1050keV、検出面積A＝28×28cm2、観測時間T＝（南中を挟む）3時間観測、高度35ｋｍ １、ＰＳＦ（ＨＷＨＭ）の２倍の領域で切り取る場合 Crab photon : 7.8 [photons], BG photon : [photons] →　S/sqrt(S+2B) = 0.39，　　S/sqrt(S+B) = 0.55 ２、ＰＳＦ（ＨＷＨＭ）の３倍の領域で切り取る場合 Crab photon : 11.7 [photons], BG photon : [photons] →　S/sqrt(S+2B) = 0.40，　　S/sqrt(S+B) = 0.56 もっと細かい間隔で調べた結果は次ページの通り

31 ＰＳＦのＨＷＨＭ以上の領域で切り取った場合のＳｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅ
HWHM×３．１位で切ると最も得をする （×１の場合に比べて～１．３倍）

32 セレクションパラメーター依存性 ① ② ③ ④ １１ページの図
コンプトン確率 ① Nhit >= 3 反跳電子がガス中に全てのエネルギーを落とす ② ③ 散乱γがシンチに全てのエネルギーを落とす コンプトン点と放出方向を求められる ④ １本のPMTに全てのエネルギーを落としている |α_kin – α_geo| < 20deg コンプトン点がfiducial volume(28×28×28cm3)中にある 反跳電子のエネルギーとtrack lengthによるカット後　（式は※1） Energy cut後　（式は※2） se PSF cut後　（※3） １１ページの図 １１ページの図①～④の内、セレクションパラメータとして自由度があるのは③のαカットのみ。 そこでalphaカット（|α_kin － α_geo| < Δα）でのΔαに対する依存性を見てみた。

33 PSFのΔα依存性 200～300keV付近と、900～1000keV付近で比較的大きな変化が見て取れる
200～300keV付近はsignificanceの計算に大きく寄与するので特に重要

34 EfficiencyのΔα依存性 Δα＝１０ｄｅｇ Δα＝２０ｄｅｇ Δα＝３０ｄｅｇ Δα＝４０ｄｅｇ Δα＝５０ｄｅｇ
αカット後 Δα＝４０ｄｅｇ Δα＝５０ｄｅｇ ３２ページの図と同様のプロット。αカット後の　Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙが大きく変化している。

35 大樹町でＣｒａｂを観測する場合のＳｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅについてΔαの依存税を調べてみた
SignificanceのΔα依存性 大樹町でＣｒａｂを観測する場合のＳｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅについてΔαの依存税を調べてみた 100keV～1050keV、検出面積A＝28×28cm2、観測時間T＝（南中を挟む）3時間観測、高度35ｋｍ（Ｐ７～Ｐ８と同様の計算条件）、ｐｓｆのΔα依存性も考慮している Δαが大きい方が僅かに得をするようだ。しかしながら、５σまでは全然届いていない。

36 Deltaカット Preliminary αカットの変わりに以下のようなカットを施してみた ｜１－Vg・Vk｜＞ ０．１ならカット
デフォルト αカットの変わりにDeltaカット Preliminary ＰＳＦカット後の検出効率（一番下の緑の線）が３００ｋｅＶあたりで２倍近く向上

37 Deltaカットを使った場合のイメージング性能
ARM SPD Preliminary Preliminary PSF Preliminary PSFはαカットを使用した場合と同じ位出てる

38 （参考）αカット使用時のイメージング性能
ARM SPD PSF

39 （付録２） ベッセルの２層化について

40 ベッセルの影響がなくなったと仮定したときの検出効率
２層化 ベッセルの影響がなくなったと仮定したときの検出効率 ベッセルでの相互作用をなくすため シンチカメラをＴＰＣに近づけるため ROHACELL μPIC基板 CR基板 ガス流入口 ASD 上の結果にはシンチカメラがＴＰＣに近づけられる効果は入っていない →それを考慮に入れれば検出効率はもう少し向上するはず シンチカメラ 結構煩雑にはなるが、不可能ではない

41 （付録３） 姿勢制御の効果

42 Ｋｉｒｕｎａでの打ち上げ、高度40km、ＣｙｇｎｕｓＸ－１の観測の場合、 常に目標天体が検出器視野のど真ん中にいると仮定
姿勢制御の効果 Ｋｉｒｕｎａでの打ち上げ、高度40km、ＣｙｇｎｕｓＸ－１の観測の場合、 常に目標天体が検出器視野のど真ん中にいると仮定 南中を跨ぐ２４時間×１０日間観測（高度40km、ＢＧ５倍） Cｙｇｎｕｓ : [photons], Bg : [photons] →　　S/sqrt(S+2B) = 0.96, S/sqrt(S+B) = 1.36 姿勢制御すると 南中を跨ぐ２４時間×１０日間観測（高度40km、ＢＧ５倍） Cｙｇｎｕｓ : [photons], Bg : [photons] →　　S/sqrt(S+2B) = 1.55, S/sqrt(S+B) = 2.18 実際ここまで完璧な制御は難しいだろう。エレベーション固定してアジムスだけをゆるく制御するあたりが妥当→姿勢制御の効果としては上記よりも低めに見積もっておいたほうが無難