GLASTSeminar_2004Apr.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 [email protected] History of Changes: April 7, 2004 written by T. Mizuno April 14, 2004 updated April 17, 2004 updated Tsunefumi Mizuno 1 GLASTSeminar_2004Apr.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_2004Apr.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, 228um pitch, 8x105 channels •γ線のidentification •到来方向の測定 4X4=16 towers 3000kg, 650 W, 1.8x1.8x1m3 (30MeV-300GeV) 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 CsI(Tl) scintillators (8 layers in each tower) •Showerの発達を追い、エネル ギーを測定 3 GLASTSeminar_2004Apr.ppt X-Ray telescope vs. Gamma-Ray telescope •数10MeV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_2004Apr.ppt GLAST vs. other missions LATによるγ線宇宙の観測 • 広視野 (~2sr、全天の20%) • 高位置分解能 (10’ in E>10 GeV) • 大有効面積 (~10000 cm-2) 圧倒的高感度 EGRET Angular Resolution Sensitivity Effective Area 0.1 1 10 100 GeV •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_2004Apr.ppt Gamma-Ray Sky(1): EGRET EGRET All Sky map and 3rd Catalogue (E>=100 MeV) 3C279 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_2004Apr.ppt Gamma-Ray Sky Gamma-Ray Sky(2): LAT LAT: scanning mode <--> EGRET: pointing mode 100 sec EGRET Fluxes •3C279 flare •Vela Pulsar •Crab Pulsar 1 orbit •3C279 quiescent •EGRET 5sigma sources ~ a few days with LAT 2 year, ~10000 sources 1 day GRB, AGN, 3EG + Gal. plane & halo sources Tsunefumi Mizuno 7 GLASTSeminar_2004Apr.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_2004Apr.ppt Science Objectives (2) •銀河系、近傍銀河の宇宙線と物質分布 •pi0 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 Pi0-flux measurement by GLAST will determine the mass of GMCs. Tsunefumi Mizuno 9 GLASTSeminar_2004Apr.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 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_2004Apr.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, NIMA474) 0deg. Incident middle layer 30deg. Incident middle layer PSF vs. Energy (W. Atwood et al., 2000, NIMA) 0deg. Incident lower layer Tsunefumi Mizuno 30deg. Incident lower layer 11 GLASTSeminar_2004Apr.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+): 2MIP Energy measured by CAL 17.6MeV cocmic Ray(muon): 1MIP 14.6MeV Tsunefumi Mizuno 12 GLASTSeminar_2004Apr.ppt The GLAST Balloon Experiment Balloon Flight Engineering Model (BFEM) eXternal 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_2004Apr.ppt Simulator and Cosmic-Ray Flux Models XGT •Geant4 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(10MeV-100GeV)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_2004Apr.ppt Cosmic-Ray Model(1): Proton (satellite orbit) Our formular for geomagnetic cutoff Solar modulation formula given by Gleeson and Axford (1968) E Mc 2 RE e Primary E A 2 2 2 GV E e Mc a 2 2 1 R 1 Rcutoff r 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380km、鉛直 方向)と我々のモデ ル関数 Tsunefumi Mizuno 15 GLASTSeminar_2004Apr.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_2004Apr.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 1GeV 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_2004Apr.ppt Balloon Flight Operation •2001年8月@Palestine, Texas (NSBF: National Scientific Balloon Facility) •高度38kmで約3時間の レベルフライトを達成 Trigger rate vs. atmospheric depth 1.4 kHz 1.2kHz maximum (~500Hz is predicted for each tower of LAT) 1.0 small leakage of the PV payload 回収 •3.8g cm-2 •500Hz in level flight 放球 0 1 10 100 g cm-2 •1kHz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、~100kのレベルフライトデータ を取得。 Tsunefumi Mizuno 18 GLASTSeminar_2004Apr.ppt Count Rate of Each Layer for “Charged Events” (Hit in ACD) •trigger rate (data): ~440Hz •simulation total: ~440Hz 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。 26 Si layers (13 planes: x-y pair) CAL TKR Tsunefumi Mizuno Incomplete layers (partially covered with Si) ACD 19 GLASTSeminar_2004Apr.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_2004Apr.ppt Count Rate of Each Layer for “Neutral Events” (no Hit in ACD) •trigger rate (data): ~58Hz •simulation total: ~61Hz muon : 0.5Hz gamma upward : 26.8 Hz gamma downward: 16.8Hz e-/e+ : 12.3Hz alpha : 0.1Hz proton : 4.8Hz Count rate of each layer for “Neutral Events” low energy e-/e+ from under the ACD Real Data (levelthin flight) Lead converters no Lead thick Lead γ線事象も全Si layerに渡り、 数%内でデータを再現。 gamma eTsunefumi Mizuno 21 GLASTSeminar_2004Apr.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、Geant4 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_2004Apr.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38kmで約3時間のレベルフライトを達成。テレメトリを介し、~100kのイ ベントを取得 •Geant4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_2004Apr.ppt Appendix: International Collaboration Si Tracker ACD UCSC INFN NASA/GSFC Hiroshima Univ. Grid (& Thermal Radiators) SLAC CsI Calorimeter e+ e– NRL CEA, IN2P3, 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_2004Apr.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_2004Apr.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_2004Apr.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_2004Apr.ppt Appendix: Sample of Obtained Events •Total Trigger rate: ~500Hz “Charged Events” (Hit in ACD) :~439Hz<-->439Hz by sim. “Neutral Events” (no Hit in ACD):~58Hz<-->61Hz 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_2004Apr.ppt Appendix: Selection of Straight Track data vs. simulation (simulation) real data Real Data chi2 = 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_2004Apr.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_2004Apr.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、Geant4 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_2004Apr.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 1st radian East Forbidden Trajectory 2nd 荷電粒子事象の方位角分布 (difference between two regions) from east in 2nd region 2 •We saw the east-west effect in our data. almost opposite direction 0 2 0 Tsunefumi Mizuno azimuth angle from x-axis 6 32 GLASTSeminar_2004Apr.ppt Appendix: DC1(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/Da taChallenges/DC1/DC1_StatusAndI nfo.htmを参照。 Galactic longitude vs. latitude Cygnus Region Vela Galactic Center Tsunefumi Mizuno Geminga Crab 33
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