GLASTSeminar_2004 Apr. ppt 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 Tsunefumi Mizuno 1
GLASTSeminar_2004 Apr. ppt 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) Tsunefumi Mizuno 2
GLASTSeminar_2004 Apr. ppt GLAST Large Area Telescope GLAST (Gamma-ray Large Area Space Telescope)=LAT+GBM LAT: Large Area Telescope TKR(U. S. A. , Japan, Italy): Si-Strip Tracker with Lead converter 18 X-Y tracking planes, 5 channels 228 um pitch, 8 x 10 • γ線のidentification • 到来方向の測定 4 X 4=16 towers 3000 kg, 650 W, 1. 8 x 1 m 3 (30 Me. V-300 Ge. V) 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 Tsunefumi Mizuno e+ e– CAL(U. S. A. , France, Sweden): Hodoscopic array of 1536 Cs. I(Tl) scintillators (8 layers in each tower) • Showerの発達を追い、エネル ギーを測定 3
GLASTSeminar_2004 Apr. ppt X-Ray telescope vs. Gamma-Ray telescope • 数 10 Me. V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 photon cross section in Lead • 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 Tsunefumi Mizuno 4
GLASTSeminar_2004 Apr. ppt GLAST vs. other missions LATによるγ線宇宙の観測 • 広視野 (~2 sr、全天の 20%) • 高位置分解能 (10’ in E>10 Ge. V) • 大有効面積 (~10000 cm-2) Angular Resolution 圧倒的高感度 EGRET Sensitivity Effective Area 0. 1 1 10 100 Ge. V • 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。 Tsunefumi Mizuno 5
GLASTSeminar_2004 Apr. ppt Gamma-Ray Sky(1): EGRET All Sky map and 3 rd Catalogue (E>=100 Me. V) 3 C 279 diffuse+271 sources, 172 unidentified Vela Cygnus Region Geminga Crab PKS 0528+134 pulsars AGN - blazars unidentified Tsunefumi Mizuno LMC PKS 0208 -512 LMC 6
GLASTSeminar_2004 Apr. ppt Gamma-Ray Sky(2): LAT: scanning mode <--> EGRET: pointing mode 100 sec EGRET Fluxes • 3 C 279 flare • Vela Pulsar • Crab Pulsar 1 orbit • 3 C 279 quiescent • EGRET 5 sigma sources ~ a few days with LAT 2 year, ~10000 sources 1 day GRB, AGN, 3 EG + Gal. plane & halo sources Tsunefumi Mizuno 7
GLASTSeminar_2004 Apr. ppt 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 SNR γ-Cygni (image) Tsunefumi Mizuno EGRET/GLAST 95% error circles with X-ray/radio sources’ location spectrum 8
GLASTSeminar_2004 Apr. ppt Science Objectives (2) • 銀河系、近傍銀河の宇宙線と物質分布 • pi 0 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 Pi 0 -flux measurement by GLAST will determine the mass of GMCs. Tsunefumi Mizuno 9
GLASTSeminar_2004 Apr. ppt Schedule (could be modified) Calendar Years 2000 2001 2002 • hardware tests Preliminary • reviews Design Review 1997/1999 Beam test Balloon Flight 2003 2004 EM test Critical Design Review TKR & CAL FM A/B 2005 2006 2011 Schedule Float Scheduled Completion LAT Delivery Begin LAT I&T Launch Ops. Prelim. & Sys. Design Final Design Engr’g Models Build & Test Flight Units FABRICATION PHASE Tsunefumi Mizuno LAT I&T Observatory I&T COMMISSIONING PHASE 10
GLASTSeminar_2004 Apr. ppt 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, NIMA 474) 0 deg. Incident middle layer 30 deg. Incident middle layer PSF vs. Energy (W. Atwood et al. , 2000, NIMA) 0 deg. Incident lower layer Tsunefumi Mizuno 30 deg. Incident lower layer 11
GLASTSeminar_2004 Apr. ppt 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+): 2 MIP Energy measured by CAL 17. 6 Me. V cocmic Ray(muon): 1 MIP 14. 6 Me. V Tsunefumi Mizuno 12
GLASTSeminar_2004 Apr. ppt The GLAST Balloon Experiment Balloon Flight Engineering Model (BFEM) e. Xternal Gamma-ray Target(XGT) ACD TKR (inside) CAL Support Structure Tsunefumi Mizuno Objectives: a. LATの基本デザインをタワー 1個の レベルで検証。 b. 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。 c. 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。 • 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。 13
GLASTSeminar_2004 Apr. ppt Simulator and Cosmic-Ray Flux Models XGT • Geant 4 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(10 Me. V-100 Ge. V)を 扱う CAL • 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) Tsunefumi Mizuno Support Structure ACD TKR Pressure Vessel 14
GLASTSeminar_2004 Apr. ppt 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 380 km、鉛直 方向)と我々のモデ ル関数 Tsunefumi Mizuno 15
GLASTSeminar_2004 Apr. ppt 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 secondary upward Tsunefumi Mizuno 1/cos(theta) secondary downward • 本気球実験で仮定した陽子の天頂角分布モデル 16
GLASTSeminar_2004 Apr. ppt Cosmic-Ray Model(3): Gamma 天頂角分布 Energy spectrum 大気γ(upward) Schonfelder et al. 1977 Earth Rim 0. 01 1 Ge. V 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。 Tsunefumi Mizuno 17
GLASTSeminar_2004 Apr. ppt Balloon Flight Operation • 2001年 8月@Palestine, Texas (NSBF: National Scientific Balloon Facility) • 高度 38 kmで約3時間の レベルフライトを達成 Trigger rate vs. atmospheric depth 1. 4 k. Hz 1. 2 k. Hz maximum (~500 Hz is predicted for each tower of LAT) 1. 0 small leakage of the PV payload 回収 • 3. 8 g cm-2 • 500 Hz in level flight 放球 0 1 10 100 g cm-2 • 1 k. Hz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、~100 kのレベルフライトデータ を取得。 Tsunefumi Mizuno 18
GLASTSeminar_2004 Apr. ppt Count Rate of Each Layer for “Charged Events” (Hit in ACD) • trigger rate (data): ~440 Hz • simulation total: ~440 Hz muon : 39 Hz gamma : 54 Hz e-/e+ : 110 Hz alpha : 19 Hz proton : 216 Hz Count rate of each layer for “Charged Events” upward downward secondary primary complete layers 全 26枚のSi layerで、データを数% で再現することに成功。 CAL Tsunefumi Mizuno Incomplete layers (partially covered with Si) 26 Si layers (13 planes: x-y pair) TKR ACD 19
GLASTSeminar_2004 Apr. ppt Angular Distribution of “Charged Events” 天頂角分布 (single/straight track) gamma e-/e+ alpha proton(secondary) proton(primary) Real Data (level flight) muon • BFEM/LAT has sensitivity in large zenith angle. horizontal cos (theta) cosmic-ray flux is poorly known. downward 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。 Tsunefumi Mizuno 20
GLASTSeminar_2004 Apr. ppt Count Rate of Each Layer for “Neutral Events” (no Hit in ACD) • trigger rate (data): ~58 Hz • simulation total: ~61 Hz muon : 0. 5 Hz gamma upward : 26. 8 Hz gamma downward: 16. 8 Hz e-/e+ : 12. 3 Hz alpha : 0. 1 Hz proton : 4. 8 Hz Count rate of each layer for “Neutral Events” low energy e-/e+ from under the ACD Real Data (level flight) converters thin Lead no Lead thick Lead γ線事象も全Si layerに渡り、 数%内でデータを再現。 Tsunefumi Mizuno gamma e- 21
GLASTSeminar_2004 Apr. ppt Angular Distribution of atmospheric gamma 天頂角分布 gamma downward candidate gamma upward candidate data gamma upward gamma downward upward cos (theta) gamma upward gamma downward proton e-/e+ 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、Geant 4 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。 Tsunefumi Mizuno 22
GLASTSeminar_2004 Apr. ppt 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 38 kmで約3時間のレベルフライトを達成。テレメトリを介し、~100 kのイベ ントを取得 • Geant 4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。 Tsunefumi Mizuno 23
GLASTSeminar_2004 Apr. ppt Appendix: International Collaboration Si Tracker ACD UCSC INFN NASA/GSFC Hiroshima Univ. Grid (& Thermal Radiators) SLAC Cs. I Calorimeter e+ e– NRL CEA, IN 2 P 3, Ecole Polytechnique KTH, Stockholm Univ. Electronics, Data Acquisition & Flight Software Stanford Univ. , SLAC Science Analysis Software Univ. of Washington, NASA/GSFC, SLAC INFN Tsunefumi Mizuno 24
GLASTSeminar_2004 Apr. ppt 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 Tsunefumi Mizuno 25
GLASTSeminar_2004 Apr. ppt 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 • GLAST気球実験用の、 陽子の天頂角分布モデル constant 1/cos(theta) secondary upward Tsunefumi Mizuno secondary downward 26
GLASTSeminar_2004 Apr. ppt Appendix: GLAST Balloon Flight • 2001年 8月@Palestine, Texas (NSBF: National Scientific Balloon Facility) payload 回収 Tsunefumi Mizuno 放球 27
GLASTSeminar_2004 Apr. ppt Appendix: Sample of Obtained Events • Total Trigger rate: ~500 Hz “Charged Events” (Hit in ACD) : ~439 Hz<-->439 Hz by sim. “Neutral Events” (no Hit in ACD): ~58 Hz<-->61 Hz by sim. “Charged Events” “Neutral Events” ACD TKR MIP passed ACD, TKR and CAL Z gamma-ray was converted in TKR 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。 Tsunefumi Mizuno 28
GLASTSeminar_2004 Apr. ppt Appendix: Selection of Straight Track data vs. simulation (simulation) real data Real Data chi 2 = 0. 02 straight track Simulation (total) proton, alpha, muon proton muon e-, e+ e-/e+ gamma->e-/e+ alpha gamma possible misalignment Simulation (total) straightness of the 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。 Tsunefumi Mizuno 29
GLASTSeminar_2004 Apr. ppt 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。 data gamma upward • 下向きγのFlux・角分布を正 しくモデル化。 gamma downward proton e-/e+ horizontal Tsunefumi Mizuno cos (theta) downward 30
GLASTSeminar_2004 Apr. ppt 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” data • 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。 gamma upward gamma downward proton upward e-/e+ alpha cos (theta) horizontal Future Plan: 宇宙線フラックスモデル、Geant 4 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。 Tsunefumi Mizuno 31
GLASTSeminar_2004 Apr. ppt Appendix: East-West Effect seen in Data Time history of azimuth direction of the BFEM flux from east <= from west (positive charged particle) West Allowed Trajectory 1 st radian East Forbidden Trajectory 2 nd 荷電粒子事象の方位角分布 (difference between two regions) from east in 2 nd region 2 • We saw the east-west effect in our data. 0 2 Tsunefumi Mizuno almost opposite direction 0 azimuth angle from x-axis 6 32
GLASTSeminar_2004 Apr. ppt Appendix: DC 1(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: //wwwglast. slac. stanford. edu/software/Dat a. Challenges/DC 1_Status. And. In fo. htmを参照。 Galactic longitude vs. latitude Cygnus Region Vela Galactic Center Tsunefumi Mizuno Geminga Crab 33
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