偏光Ｘ線の発生過程とその検出法 2004年7月28日コロキウム小野健一はじめに X線のもたらす情報・到来方向 ⇒ X線画像・エネルギー ⇒ エネルギースペクトル ⇒ 光度曲線・時間 ⇒ ・・・いまだ十分な観測がなされていない・偏光目次偏光の基礎偏光X線の発生偏光X線の検出偏光の基礎いろいろな偏光状態 Maxwell方程式の平面波解 E = E0 exp[i(kz - ωt)] 電場の振動する方向分布に偏りがあるとき ⇒ 「偏光」している 2つの方向成分Ex、Eyの振幅比、位相差により Ey max EyExmax Ey max Ey Ex max E Ex Ex max B さまざまな偏光状態が存在位相差0 ⇒ 直線偏光位相差π/2、振幅比1 ⇒ 円偏光一般の場合 ⇒ 楕円偏光 Ex = E1 cos(ωt – φ1) Ey = E2 cos(ωt – φ2) 単色平面波は必ず偏光している偏光の基礎自然光 ①放射源はランダムに運動 ②Ex、Eyの位相差はランダムに時間変動 ③偏光方向もランダムに変動 ⇒自然光、または非偏光と呼ぶ実際に存在する光は「部分的に偏光」している。 Ex = E1(t) cos(ωt – φ1(t)) Ey = E2(t) cos(ωt – φ2(t)) ⇒単色ではない部分的に偏光した光＝ランダム偏光成分（位相差変動が完全にランダム）＋偏光成分（位相差が一定の楕円偏光）偏光の基礎偏光度偏光度Π = Ip / I Ip ：楕円偏光している光の強度 I ：全強度直線偏光の場合、 Π= Imax – Imin Imax + Imin Imax：最大強度 Imin：最小強度楕円偏光の場合も使えるが、偏光度は過小評価される Imax = (I – Ip) / 2 + Ip = (I + Ip) / 2 Imin = (I – Ip) / 2 偏光の発生基本原理加速する荷電粒子からの電磁波放射 ⇒トムソン散乱、シンクロトロン放射、・・・ . Eの方向： n× (n × β) . 放射方向と加速度を含む平面内に存在放射方向 n β E 電場粒子の加速度に垂直な方向で放射強度大トムソン散乱入射波が直線偏光 ⇒散乱波も直線偏光散乱波 n E 入射波 E 電子トムソン散乱 n 入射波が非偏光 ⇒散乱波は方向によって部分的に偏光している散乱波 x Ex θ 入射波 z y Ey 90° Ey Ex 1 : cos2θ (強度比) 偏光度Π= 1 – cos2θ 1 + cos2θ θ= 90°でΠ=1 θ= 0°でΠ=0 トムソン散乱 Sgr B2分子雲からのＸ線 Sgr B2分子雲 X線源 GC X線銀河中心方向 3’～7pc Chandra simulation (Murakami et al. 2002) 鉄輝線⇒蛍光X線連続成分⇒外部から照らされたX線をトムソン散乱シンクロトロン放射 B B . β 磁場に垂直な面内で直線偏光シンクロトロン放射 B 偏光度Π(ω) = P⊥(ω) – P||(ω) E|| E⊥ P⊥(ω) + P||(ω) 一粒子の場合周波数積分 ⇒ 75％ N(γ) ∝ γ-pの分布の場合周波数積分 ⇒ p=2のときΠ=70％ p+1 p + 7/3 シンクロトロン放射パルサー風星雲からのシンクロトロン放射強磁場で加速された粒子がパルサーの磁場によりシンクロトロン放射かに星雲 (Chandra) 1970年代、 OSO-8衛星によりかに星雲からのX線偏光を検出（有為度3σ） ⇒シンクロトロン放射であることの証拠 (Weisskopf et al. 1978) 偏光の検出偏光の観測はさまざまな現象の解明につながる。しかし、その検出は難しく、数少ない観測例を除いていまだ未開拓の状況と言える検出効率、検出感度、エネルギー帯域が重要 • ブラッグ反射 • コンプトン散乱 • 光電吸収数keV 10keV～数keV 偏光の検出 OSO-8衛星の場合ブラッグ反射の利用 E⊥ E|| E|| θ グラファイト結晶 OSO-8衛星(1976-1978) 結晶の反射率はE||とE⊥で異なる θ=45°のとき、E||の反射率1、E⊥の反射率0 偏光の検出 OSO-8衛星の場合 OSO-8衛星搭載の偏光計比例計数管グラファイト結晶パネルパネルを回転させて強度変化を測定かに星雲からのX線偏 X線光を検出（有為度3σ）偏光の検出 μ-PICなどガス検出器の場合コンプトン散乱の利用 z 散乱X線 θ 光電子放出方向 φ dσ dΩ y x 微分散乱断面積偏光方向入射X線 ∝ (1 – sin2θcos2φ) y z x x z方向から見ると y方向から見ると偏光の検出 μ-PICなどガス検出器の場合光電効果の利用 z θ 光電子放出方向 φ dσ dΩ y x 微分散乱断面積偏光方向入射X線 ∝ sin2θcos2φ (1-βcosθ)4 y z x x z方向から見ると y方向から見ると偏光の検出 μ-PICの場合 Ar / 20keV 電子雲数100μ～1mm程度従来のストリップ読み出し μ-PICですでに偏光の検出に成功している (Ueno et al. 2004) 偏光の検出 μ-PICの場合ピクセル読み出しにすれば、イメージングが可能シミュレーションで偏光検出能の向上を検証 600μm 600μm 偏光の検出 μ-PICの場合現在は・基礎特性に関する実験・多チャンネル読み出し回路の構築 10月にはPhoton Factory(KEK)にて偏光度100％に近いX線を用いた実験を行なう予定まとめ偏光の発生 ⇒シンクロトロン放射、トムソン散乱など宇宙で起こるさまざまな過程で偏光X線が発生偏光X線の検出 ⇒ブラッグ反射、コンプトン散乱、光電効果などを利用することで検出可光電効果での光電子放出方向の偏りをピクセル読み出し型μ-PICで検出する予定