BESS–Polar実験1 s e c-1 g e v-1) 10-3 10-2 10-1 10-1 110 bess(98) bess(97) bess(95) bess(93) imax caprice(94) caprice(98) 1~2 gevあたりのピーク衝突起源反陽子がほとんど！

BESS–Polar実験

高エネルギー加速器研究機構吉田哲也

宇宙線シンポジウム｢気球による宇宙線観測の成果と展望｣

これまでのBESS実験の歩み

NASA南極長時間気球(LDB)の概要

BESS–Polar実験の現状と今後の予定

平成16年9月29日日本物理学会2004年秋季大会 2

BESS Collaboration (1992~現在)KEK

S. Haino, T. Kumazawa, Y. Makida, K. Matsumoto, H. Omiya, J. Suzuki, K. Tanaka, A. Yamamoto†, T. Yoshida, K. Yoshimura

NASA/Goddard Space Flight CenterT. Hams, J.W. Mitchell†, A.A. Moiseev, J.F. Ormes, M. Sasaki, R.E. Streitmatter

Kobe UniversityK. Abe, N. Ikeda, A. Itazaki, T. Maeno, T. Matsukawa, T. Mitsui, M. Nozaki, A. Ogata, M. Oikawa, Y. Shikaze, Y. Takasugi, K. Takeuchi, K. Tanizaki, K. Yamato

The University of TokyoY. Asaoka, K. Anraku, M. Fujikawa, M. Imori, K. Izumi, S. Matsuda, N. Matsui, H. Matsumoto, H. Matsunaga, M. Motoki, J. Nishimura, S. Orito†*, T. Saeki, T. Sanuki, T. Sonoda, I. Ueda, Y. Yamamoto

Univ. of MarylandK.C. Kim, M.H. Lee, Z.D. Myers, E.S. Seo, J.Z. Wang

ISAS/JAXAH. Fuke, Y. Yajima, T. Yamagami

† PIs* Deceased


BESS Collaboration (BESS–Polar)KEK

S. Haino, T. Kumazawa, Y. Makida, K. Matsumoto, J. Suzuki, K. Tanaka, A. Yamamoto†, T. Yoshida, K. Yoshimura

NASA/Goddard Space Flight CenterT. Hams, J.W. Mitchell†, A.A. Moiseev, J.F. Ormes, M. Sasaki, R.E. Streitmatter

Kobe UniversityK. Abe, M. Nozaki, A. Ogata, M. Oikawa,,K. Takeuchi

The University of TokyoS. Matsuda,,H. Matsumoto, J. Nishimura

Univ. of MarylandK.C. Kim, M.H. Lee, Z.D. Myers, E.S. Seo

ISAS/JAXAH. Fuke,,T. Yamagami

† PIs* Deceased


BESS実験の歩みBalloon-borne Experiment with a Superconducting Spectrometer宇宙起源反陽子･反物質の探索による

｢初期宇宙における素粒子現象｣の探索

1987年に提案

1981 Buffingtonらによる低エネルギー反陽子過剰の発見

1985~86 ASTROMAGの検討・モデルマグネットの試作

1993年に第1回科学観測、以降2002年までに9回の観測を実施

1993 1994 1995 1998 1999 2000 2001 2002

2.5+11.0 4.0+16.0

13.0

TBD

15

NA

TBD

データ収集(時間) 14.0 15.0 17.5 18.3 20.0 2.8+31.3 2.5+32.5

記録事象数

(M Events)4.0 4.2 4.5 16.2 19.0 2.3+16.8 2+15

558

6.7×10-7

668384

0.18~4.2

8.8×10-7

反陽子数 6 2 43 415

He/He 2.2×10-5 4.3×10-6 2.4×10-6 1.4×10-6

0.18~0.5 0.18~1.5

1997

反陽子識別エネルギー (GeV) 0.18~3.6

BESS–TeV


反陽子観測

MitsuiBergstroem

Secondary production& Propagation

Kinetic Energy (GeV)

Anto

prot

onflu

x(m

-2sr

-1se

c-1 G

eV-1

)

10-3

10-2

10-1

10-1 1 10

BESS(98)

BESS(97)BESS(95)

BESS(93)IMAXCAPRICE(94)

CAPRICE(98)

1~2 GeVあたりのピーク

衝突起源反陽子がほとんど！

宇宙線伝播モデルも基本的にはOK！

1 GeV以下の領域で平坦?

モデルの不定性観測データの統計不足

興味深い1次起源反陽子の存在を棄却することはできない


反物質探索

10-7

10-6

10-5

10-4

10-3

10-2

10-1

10-1 1 10 102

Rigidity (GV)

Antih

eliu

m/h

eliu

mflu

xra

tio

He/He limit (95% C.L.)

Evenson (1972)

Evenson (1972)

Smoot et al. (1975)

Smoot et al. (1975)

Badhwar et al. (1978)

Aizu et al. (1961)

Buffington et al. (1981)

Golden et al. (1997)

Ormes et al. (1997) BESS-95

T. Saeki et al. (1998) BESS-93~95

J. Alcaraz et al. (1999) AMS01

BESS-1993~2000M. Sasaki (2002)

反物質の直接探索

He/He < 6.7×10-7 (1~14GV)

観測されないことから反物質ドメインの存在を棄却できるか? 悲観的予測もある

でも、もし反物質が宇宙線中に1事象でも存在すれば、宇宙のどこかに反物質ドメインが存在する非常に強い証拠

とにかく探し続けるしかない !!!


その他の物理大面積立体角高統計

よく理解された測定器構成低系統誤差

1993年から2002年にいたる毎年の観測時間依存性

同じ測定器を用いた地上、山上での宇宙線観測

反重陽子探索

陽子・ヘリウム核などの1次宇宙線スペクトルの精密観測

同位体(2H、3He)太陽活動依存性

大気頂上から地表までの宇宙線の発展

地磁気依存性


BESS–Polar実験への展開

BESS実験の結果から

衝突起源反陽子がほとんど

太陽活動の依存性も理解できつつある

大気中での宇宙線の発展も理解できつつある

低エネルギーでの反陽子スペクトルの平坦さをどう説明する?

低エネルギー反陽子のより精密な測定が必要宇宙起源の宇宙線反陽子の徹底探索

初期宇宙での素粒子現象のプローブ

衝突起源反陽子の精密測定

宇宙線伝播モデルの検証

太陽活動の宇宙線に与える影響のより深い理解

太陽活動極小期に宇宙線反陽子の高統計観測を行う!!!


NASA南極周回気球

31日20時間18分Tiger 2001

昭和基地

マクマード基地

12月中旬~1月上旬に米マクマード基地より打上げだいたい10日間で1周する

10~20日間の観測ができる

緯度が高いので日没なし

マクマード基地

東経166度40分南緯77度51分

昭和基地

東経39度35分南緯69度0分


William Field

NSBF Webより転載

夏後半、マクマード基地付近の氷が緩んだ際の滑走路

マクマード基地より 20km (車で片道 30分)


ペイロード打上げ39 MCF (2-cap light) Balloon

(or 29 MCF)最大吊下げ重量 (New Launcher)

6,000 lbs. (2,730 kg)観測器重量 4,000~4,400 lbs.

新37 MCF-Heavy Balloonが完成すれば最大吊下げ重量が8,000 lbs.まで可能


ペイロード制御･監視Link TDRSS Iridium LOS

Uplink Scheduled Backup

Downlink6 kbps

(高利得アンテナ~100 kbps)255 bytes / 15 min. < 200 kbps

ROCC (McMurdo) POCC (Palestine) White Sands (New Mexico)

Payload TDRSSLOS

1 RS-232C(19.2 kbps)2 RS-232C(1200 bps)28 Digital O.C. output1 Timed-gate O.C. output32 Analog input16 Digital input

TDRSS

TDRSS

Internet


ペイロード回収マクマード基地から100マイル以内に着地すれば、

ヘリコプター回収可吊下げ重量 1,800 lbs. 以下

遠方･高地に着地した場合Twin Otterによる回収

人手による積み込み

貨物室ドアのサイズによる制限


BESS–Polar測定器TOF Counters

JET chamber

Inner DC

Middle TOF

Silica AerogelCherenkov

Solenoid

TOF Counters 0 0.5 1m


BESS–Polar測定器諸元BESS-2000 BESS-Polar

Geometrical acceptance 0.3 m2sr 0.3 m2sr

Science flight time 1 day ~ 10 days

Tracker spatial resolution 160 µm (Ar-CO2) 130 µm (CO2)

TOF time resolution 50 ps (@ t = 20 mm) 85 ps (@ t = 10 mm)

Central magnetic field 1.0 T 0.8 T

Diameter of central tracker 0.83 m 0.76 m

Life for liquid He 5 days 11.5 days

Weight of the payload 2,400 kg 1,900 kg

Power consumption 900 W 600 W 420 W

Power supply system Li primary battery Solar battery

Minimum material for trigger 18 g/cm2 4.5 g/cm2

Detectable energy range 0.18 – 4.2 GeV 0.1 – 4.2 GeV

Maximum detectable rigidity 200 GeV 200 GeV

粒子検出器としての詳細は 29aSF10 安部航氏の講演


徹底的な低物質量化と軽量化TOF Counters

Middle TOF

Jet chamber

Inner DC

Solenoid

Silica AerogelCherenkovTOF Counters

0 0.5 1m

BESS-2000

低物質量化超伝導ソレノイドの超薄肉化

高耐力アルミ安定化超伝導線の開発

コイルの厚さとしてBESSの1/3, 全体で1/2最外殻圧力容器の廃止

TOF/Cherenkov PMTを真空中に

Aerogel Cherenkovを測定器下部に移動

Middle TOF Counter Hodoscopeの導入

Triggerを生成するに最小の物質量を4.5 g/cm2に

運動エネルギー100 MeVまでの反陽子を観測可能

観測器重量：~1,900 kg 衛星通信システム、吊下げシステム重量を含んで2,550 kg39 MCF (2 caps, Light)気球での打上げ可能


低電力高速エレクトロニクスとDAQシステム

Hardware Event Selectionの廃止2.5 kHzでのデータ収集・記録

Dead-timeの削減高速デジタル回路と各モジュールにDSP/FPGAを採用

各モジュール毎にイベントバッファ

各モジュールとDAQ CPU間のデータ転送にはUSB2.0を利用

DAQ CPUには汎用CompactPCIを採用Intel Pentium M LV 1.1 GHz

大容量HDDの導入300GB ATA HDD、12台平均2 kbytes/eventのデータを10日間全データ記録可能


太陽電池電源システム20日間に及ぶ長時間気球実験

太陽電池とDC-DCコンバータを用いた新しい高効率電源システムの開発

900W常時発電 (白夜なので充放電システムなし)リチウム1次電池でのバックアップ

重量 ~ 300 kg高信頼性を追及して姿勢制御･方向制御を行わない

工学試験 (2002年5月30日)宇宙科学研三陸大気球観測所

発電能力と温度分布を測定

基本設計が正当化された


測定器制御・監視Neuron chip と LONを用いたモニタシステム

これまでのBESS実験での運用実績

数10点の温度をモニタ

超伝導コイルの温度も多点測定

TDC/QDCには電源モニタを実装

地上との通信にはPC/104モジュールを利用汎用NS GX1 300 MHz CPUモジュール

絶縁型RS-232Cモジュール

自作LOS送信モジュール

自作LONノードモジュール

PC/104

HDD

ｃPCI


その他の特徴

熱設計太陽からの直接光と反射光による入熱

夜間に伴う冷却がない

通常の気球実験に比べて過熱の恐れ

熱解析に基き、銀テフロンテープ、アルミマイラなどにより熱収支を調整

回収への対応測定器をユニット化し、回収地点でのできるだけ容易な分解を可能に

Twin Otterでの回収の場合、クライオスタットを切断

超伝導コイルは一体で回収


テクニカルフライト2003年10月：米国ニューメキシコ州フォートサムナー

ペイロードと気球制御のインターフェースのチェック超伝導ソレノイドの安定運用

大型測定器構造体の安全な取扱い

新しい通信システムでの測定器監視制御の確立

安全な回収を最大限考慮粒子検出器は搭載せず

打上げ当日(日中)の回収を目指す

成果インターフェースに問題なし

太陽電池構造体が予定通りクラッシュ

超伝導マグネットは無傷で回収


測定器組立て・調整2003年10月から2004年8月

NASAゴダード宇宙飛行センターにて


最終噛合せ試験2004年8月 @ NSBF

Mechanical CertificateHang test


スケジュール (これまで)2001/2 BESS–Polar実験計画開始

2002/5 三陸大気球観測所での工学試験

2003/6 KEK PSでのビームテスト

2003/10 Ft. Sumnerでの技術試験気球実験

2003/10 GSFC/NASAでの測定器組立て開始

2004/8 米国立科学気球施設での最終噛合せ試験

2004/9 Mission Readiness Review


スケジュール (これから)10/22 ニュージーランドに向けて第1陣出発

10/27 マクマード基地へ展開

10/28 William Fieldでの準備開始

11/15 超伝導ソレノイド冷却開始

11/25 POCC(米国)の準備開始

12月初 Compatibility check12/5 Flight ready12月中旬~1月上旬打上げ

できるだけ早期に打上げ

10日間程度・1周の観測を目指す

回収しやすい場所への着地を狙う


他実験の状況

実験名 PAMELA BESS–Polar AMS02

飛翔体極軌道衛星長時間気球国際宇宙ステーション

観測時間 3年 10日 3~5年

高度 300~600 km 37 km (5g/cm2) 320~390 km

軌道 70.4º >70ºS Lat. 51.7º

粒子識別 TOF/TRD/CAL TOF/ACC TOF/TRD/RICH/CAL

観測ヘリウム核数 4×107 1×107 2×109

実験グループ

機関数/参加者数15 /~80 6 /~30 41 /~400

面積立体角 0.0021 m2str 0.3 m2str 0.3 m2str

MDR(GV) 740 200 ~1000

打上げ予定 2005 2004 2007~2008(?)


まとめ1993~2002年のBESS実験の成果をもとに、より高感度な宇宙起源反陽子・反物質探索を目指してBESS–Polar実験が計画・準備されてきた。

2001年から始められたBESS–Polar測定器開発を含め、南極マクマード基地での実験実施に必要なプロセス全てを2004年9月までに完了した。

第1回BESS–Polar実験は2004年12月中旬から2005年1月に10日間程度の長時間観測を目指して実施される予定である。

マンパワー・実験経費等さまざまな要因があるものの、第1回実験の成果を踏まえて06~07年の太陽活動極小期に第2回実験を目指したい。

Documents

BESS–Polar実験1 s e c-1 g e v-1) 10-3 10-2 10-1 10-1 110 bess(98) bess(97) bess(95) bess(93) imax caprice(94) caprice(98) 1~2 gevあたりのピーク 衝突起源反陽子がほとんど！

BESS–Polar実験1 s e c-1 g e v-1) 10-3 10-2 10-1 10-1 110 bess(98) bess(97) bess(95) bess(93) imax caprice(94) caprice(98) 1~2 gevあたりのピーク衝突起源反陽子がほとんど！