電子/ 陽子識別性能

シミュレーション計算による
CALET搭載装置の軌道上性能検証
早大理工研，東大宇宙線研A，芝浦工大B，神大工C，横国大工D ， JAXA/SEUCE
仁井田多絵，鳥居祥二，笠原克昌，小澤俊介，
中川友進，植山良貴，九反万里恵，中村政則，
吉田圭祐，渡辺仁規，赤池陽水A，吉田健二B，
田村忠久C，片寄祐作D，清水雄輝E，他CALETチーム
2012.09.13
JPS2012秋季大会＠京都産業大学
13aSP-2
1
CALET計画概要
CALET (CALorimetric Electron Telescope)
高エネルギー宇宙線観測装置
ISS日本実験棟曝露部にて５年間の観測を予定
観測対象：電子1GeV~20TeV, γ線10GeV~10TeV
原子核数10GeV~1000TeV
International Space Station
Dark Matter
annihilation
or decay
Cosmic Ray Sources
2012.09.13
e- &
e+
2gamma
Japanese
Experiment
Module (Kibo)
electron
gamma
nucleus
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CALET装置構成
448 cm
CHD（CHarge Detector）
プラスチックシンチレーターを14本ずつXY交互に積層
→ 入射粒子の電荷測定
cm
IMC（IMaging Calorimeter）
シンチファイバー(SciFi）を448本ずつXY交互に積層
間にタングステンを挿入（全8層、3r.l.）
→ 粒子の飛跡再構成
TASC（Total AbSorption Calorimeter）
cm
320 cm
PWOを16本ずつXY交互に積層（全6層、27r.l.）
→ エネルギー決定、粒子識別
★ 高密度で放射長の短いPWOを使用
→ 高エネルギーまで高精度でエネルギー決定
★ IMCによる飛跡再構成＋TASCのシャワー形状
→ 高精度で粒子識別（バックグラウンド除去）
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搭載モデル
CHD
CALET搭載モデルを模擬した構造をシミュレーションで構築
 シンチレーティングファイバーの不感領域
IMC
 IMC層間のハニカム構造
 PWOの面取り構造
TASC
搭載モデルの性能検証
 電子の検出効率・エネルギー分解能
 原子核の検出効率・エネルギー分解能
 到来方向決定精度
SciFi不感領域（クラッド）
 粒子識別性能
IMC層間のAlハニカム
2012.09.13
PWO面取り構造（模式図）
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シミュレーション条件
 トリガー条件
 イベント入射条件
検出器上面より一様等方入射
 シャワー軸の幾何条件
High energy
shower
All
particles
>10GeV
IMC7,8層目＆
TASC1層目
Low energy
shower
e±
>1GeV
CHD&IMC1~8層目
&TASC1層目
Heavy
Nuclei
(Z>10)
>Rigidity
cutoff
CHD&IMC1~4層目
4種類の幾何条件でイベントを選別
幾何条件(1)
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幾何条件(2)
幾何条件(3)
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幾何条件(4)
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電子に対する検出効率・エネルギー分解能
電子1TeV
 検出効率
100%
 エネルギー分解能
幾何条件(1)~(4)
幾何条件(1)
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原子核成分に対する検出効率・エネルギー分解能
陽子10TeV
 検出効率（high energy shower trigger）
p
He
C
Si
Fe
 エネルギー分解能（TASC4層以上で衝突）
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到来方向決定精度
IMCのシャワーコアを用いてシャワー軸を再構成
IMC下層でシャワーコアを検出
IMC上層の情報を加味してシャワー軸を再構成
68%
IMCで正しいシャワーコアを検出するのが困難なイベ
ント（斜め入射、後方散乱の影響など）は、TASCの
情報も使用することで、角度分解能向上
γ線100GeV
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電子10GeV
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電子/陽子識別性能
電子観測の際の陽子バックグラウンド

Cosmic-ray
protons

Cosmic-ray
electrons
a few electrons
/ cm2 sr day
a few electrons
/ m2 sr day
スペクトルのべき指数 :
e:~-3.0
p:~-2.7
電子・陽子フラックス比:
1:100 @ 10GeV
1:1000 @ 1TeV
電子1TeV
陽子の混入率を数%
以下に抑えるために
は、105程度の陽子
除去性能が必要
陽子2.9TeV
シャワー発達の違いを用いて電子識別
横方向の広がり
・・電子 ~ 1RM (~2cm)以内に90%
陽子 ~ RM以上
縦方向の発達
・・電子 ~ TASC内で全吸収
陽子 ~ TASC内吸収は4割程度
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電子/陽子識別性能
Step 3. TASCにおける横拡がりとエネルギー損失比の
相関から電子を選別
シミュレーションイベントを生成
― 電子：1TeV, 2.0x105イベント
― 陽子：1~1000TeV (E-2.7dE)
7.4x105イベント
Step 1.
Step 2.
シャワーの横拡がり
エネルギー損失比
トリガー条件（High Energy Shower)
→70%の陽子を除去
入射エネルギーを推定し、電子が
95%残るエネルギー範囲を選別
Xi ：シャワー軸中心
ΔEi,j ： i層j番目のPWOの
エネルギー損失量
electrons
protons
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電子/陽子識別性能
Step 4.
IMCにおける横拡がりを用いて
下層で反応した陽子を除去
Step 5.
IMC１層目のエネルギー損失量を用いて
上層で反応した陽子を除去
TeV領域における陽子除去能：
~ 1.0 x 105 （電子70%取得）
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まとめ
 電子に対する観測性能
•
•
エネルギー分解能： < 1.5% (>100GeV)
陽子除去能
： ~ 1.0 x105 (@TeV)
 ガンマ線に対する観測性能
•
•
エネルギー分解能： < 3.5% (>10GeV)
角度分解能
： ~0.3deg (> 10GeV)
 原子核成分に対する観測性能
(TASC4層以上で最初の相互作用)
― 検出効率
・
・
・
・
・
― エネルギー分解能
H : 19 ~ 40 % (0.1~100 TeV)
He ： 27 ~ 50 % (0.1~100 TeV)
C ： 43 ~ 66 % (0.1~100 TeV)
Si ：
~ 71 % ( 1~100 TeV)
Fe ：
~ 71 % ( 1~100 TeV)
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・
・
・
・
・
H ： 32 ~ 41 %
He ： 28 ~ 37 %
C ： 25 ~ 40 %
Si ： 30 ~ 40 %
Fe : 20 ~ 37 %
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(0.1 ~ 100 TeV)
(0.1 ~ 100 TeV)
(0.1 ~ 100 TeV)
( 1 ~ 100 TeV)
( 1 ~ 100 TeV)
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End
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解析経過報告
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原子核エネルギー損失分布
C100GeV
※ IMC~TASC4層目で衝突
C1TeV
C10TeV
Si100GeV
Si1TeV
Si10TeV
Fe100GeV
Fe1TeV
Fe10TeV
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電子/ 陽子識別性能
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電子残存率70%、陽子除去性能1.0×105
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電子/ 陽子識別性能
混入陽子イベントの衝突位置：
 CHD （2イベント）
→IMC1層目のエネルギー損失量で除去
 IMC （ 9イベント）
 TASC （1イベント）
→IMCの横拡がりで除去
CHDで衝突した陽子
IMCで衝突した陽子
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電子/ 陽子識別性能
2012.09.13
Parameter1. IMCにおける横拡がり
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電子/ 陽子識別性能
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Parameter2. IMC1層目のエネルギー損失量
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電子/ 陽子識別性能
幾何条件(1)
幾何条件(3)
幾何条件(2)
幾何条件(4)
電子残存率幾何条件（１）幾何条件（２）幾何条件（３）幾何条件（４）
total
52%
0
1(1.8x105)
0
0
1(7.3x105)
66%
1(3.1x105)
2(9.0x105)
0
1(1.5x105)
4(1.8x105)
70%
1(3.1x105)
3(6.0x105)
0
3(5.0x105)
7(1.0x105)
82%
9(3.4x104)
13(1.3x104)
0
7(2.1x104)
29(2.5x104)
混入陽子数（除去能力）
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電子/ 陽子識別性能
TASCにおける横拡がり： energy weightによる違い
a
a
a = 0.1, 0.3, 0.5, 1, 2, 3 のそれぞれにおいて
電子90%が含まれる領域に混入する陽子の数
幾何条件1
幾何条件2
幾何条件3
幾何条件4
上からweight=0.5, 1, 2（幾何条件４）
ただしFEとの２次元プロットで考えると、
weight=1が一番識別性能がよい
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