BESS–Polar 宇宙起源反粒子探索実験

BESS–Polar
宇宙起源反粒子探索実験
• BESS実験の成果
2002年1月18日
• BESS–Polar実験の概要
｢物質の起源｣IIAS研究会
• 他の飛翔体反粒子探索実験との比較
KEK 吉田哲也
• まとめ
宇宙起源反粒子
 1次宇宙線中の反粒子
 高エネルギー宇宙線と星間物質との相互作用
(衝突起源・2次起源)
 低エネルギー反陽子は運動学的に生成されにくい
 宇宙起源・1次起源
 Dark Matterを構成する超対称性粒子の対消滅
 原始ブラックホールの蒸発
低エネルギーまで平坦な生成スペクトル
 宇宙線反物質
 衝突生成はない!
Jan. 18, 2002
｢物質の起源｣IIAS研究会
2
BESS実験
 KEK

Y.Makida, H.Omiya, J.Suzuki, K.Tanaka, A.Yamamoto, T.Yoshida and
K.Yoshimura
 University of Tokyo

K.Abe, K.Anraku, Y.Asaoka, M.Fujikawa, H.Fuke, S.Haino, M.Imori, K.Izumi,
S.Matsuda, N.Matsui, H.Matsunaga, H.Matsumoto, T.Mitsui, M.Motoki,
J.Nishimura, S.Orito, T.Saeki, T.Sanuki, T.Sonoda, I.Ueda, Y.Yamamoto
 Kobe University

N.Ikeda, T.Maeno, T.Matsukawa, M.Nozaki, Y.Shikaze, K.Tanizaki and
K.Yamato
 ISAS

N.Yajima and T.Yamagami
 NASA/GSFC

J.F.Ormes, J.W.Mitchell, A.A.Moiseev, M.Sasaki and R.E.Streitmatter
 University of Maryland

E.S.Seo
Jan. 18, 2002
｢物質の起源｣IIAS研究会
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BESS実験の目的
 低エネルギー反陽子1次宇宙線の精密測定と
宇宙起源反陽子の探索
 宇宙線反物質(反ヘリウム核)の探索
 1次宇宙線陽子・ヘリウム成分スペクトルの精密測定
 2次宇宙線µ±粒子絶対流束の残留大気圧依存性の測定
 中重核(C,N,O,…)の観測とStrange Quark Matterの探索
 地上µ±観測 (つくば､乗鞍､Lynn Lake､Fort Sumner)
 …
Jan. 18, 2002
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4
実験の概要(1)
 BESS–1993~2000
 カナダ北部(低磁気限界硬度)
 15~25時間程度の観測
 測定器アップグレード
 BESS–1995~1997
 太陽活動極小期
 BESS–1999､2000
 太陽活動極大期
 太陽磁場反転
Climax (>3GeV), Haleakala (>13GeV)
Jan. 18, 2002
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5
実験の概要(2)
 BESS–2001 (BESS–TeV)
 米国ニューメキシコ州
Jan. 18, 2002
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｢質量の同定｣による反陽子識別により
Buffingtonの測定値を否定
Antoproton flux (m-2sr-1sec-1GeV-1)
反陽子スペクトルの精密観測
10-1
衝突起源反陽子に特徴的なピークを観測
宇宙線反陽子の大半は衝突起源
宇宙線伝播モデルは基本的にOK
低エネルギー領域で平坦?
モデルの不定性､不十分な統計
10-2
Secondary production
& Propagation
Bergstroem
Mitsui
宇宙起源反陽子存在の可能性!
10-3 -1
10
BESS(98)
CAPRICE(98)
BESS(97)
BESS(95)
CAPRICE(94)
IMAX
BESS(93)
1
10
Kinetic Energy (GeV)
Jan. 18, 2002
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Solar Modulationの理解
 宇宙起源反陽子成分の存否の探索
 衝突起源スペクトルからの､流束の過剰と形状の変化
 スペクトル形状に変化を与えるSolar Modulationの理解が不可欠
10-3
Annual Variation of p/p Ratio
BESS(97)
BESS(99)
BESS(00)
p/p Ratio
10-4
10-5
Bieber et al., 1999
10o, (+) ~ 1997
solar min. at positive phase
70o, (+) ~ 1999
solar max. at positive phase
1993~1999
2000
70o, (-) ~ 2000
10-6 -1
10
solar max. at negative phase
1
Kinetic Energy
Jan. 18, 2002
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10
(GeV)
8
反物質探索
 γ線観測からの制限
 Null Resultから反物質ドメインの
存否を議論できない
He/He limit (95% C.L.)
Smoot et al. (1975)
10-2
Antihelium/helium flux ratio
 1次宇宙線中の反物質
 宇宙における物質･反物質
非対称性の謎
 反物質ドメイン存在の可能性
 反物質宇宙線が伝播?
10-1
 1事象でも観測されれば
反物質ドメイン存在の強い証拠
Evenson (1972)
Aizu et al. (1961)
Evenson (1972)
10-3
Smoot et al. (1975)
Badhwar et al. (1978)
Golden et al. (1997)
10-4
Buffington et al. (1981)
10-5
Ormes et al. (1997) BESS-95
T. Saeki et al. (1998) BESS-93~95
J. Alcaraz et al. (1999) AMS01
10-6 M. Sasaki (2000)
BESS-93~98
10-7 -1
10
BESS-1993~2000
Preliminary
1
10
102
Rigidity (GV)
Jan. 18, 2002
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BESS–Polar実験への展開
 これまでのBESS実験での成果
 宇宙線反陽子の大半は衝突起源
 Solar Modulationの詳細の理解への手がかり
 大気と宇宙線との相互作用を再現
 太陽活動極小期での低エネルギースペクトルが平坦?
 低エネルギー反陽子の徹底的な精密探査
 宇宙起源反陽子の探索
 初期宇宙における素粒子現象
 衝突起源反陽子の精密測定
銀河内の宇宙線伝播、太陽風の影響と電荷依存性
Jan. 18, 2002
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10
高統計反陽子宇宙線観測
 太陽活動のある条件下での長時間観測
 より低エネルギーの反陽子観測を可能とする
よりコンパクトで大面積・大立体角超伝導スペクトロメータの開発し
 次の太陽活動極小期に
 南極周回気球を用いた10~20日間の観測
BESS–Polar #1
BESS–Polar #2
Jan. 18, 2002
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その他の物理
 反へリウム探索：
-7
 He/He比の上限値  10
 宇宙線スペクトルの精密測定
 p, He, Li, Be, B, C, N, O ＋同位体
宇宙線の化学組成、銀河内伝播
 大気ミューオン
宇宙線の大気発展、大気νの基礎データ
 電子、陽電子
宇宙線の加速機構、銀河内伝播
 エキゾティックな粒子探索
 未知の粒子探索 (SQM etc.)
Jan. 18, 2002
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南極周回気球
 米国マクマード基地(NSF)から
12月末~1月中旬に打ち上げ
 1周 ~ 10日間
10~20日間の観測可能
 ペイロード重量 <1,400kg
 飛行機・ヘリコプタによる
Quick Access(データ回収)
 シーズン内に測定器全体の
回収を目指す
Jan. 18, 2002
Tiger Payload as of Jan. 18, 2002
昭和基地
マクマード基地
28日間(記録更新中)
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技術的挑戦
 EK~100MeVまで観測可能  測定器の低物質量化
 新しい薄肉超伝導ソレノイドの開発
 粒子検出器の再配置とソレノイド内トリガカウンタ
 南極周回気球の制限  徹底的な軽量化
 圧力容器撤廃に伴う一部測定器の真空中での安定動作
 長時間観測への対応  低電力エレクトロニクスと電力源
 太陽電池システムの開発
 オンボード計算機によるイベントセレクション
Jan. 18, 2002
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BESS–Polar測定器
 立体角はBESSと同等 (~0.3m2str)
 軽量化を図るために最外殻圧力容器を廃止
 PMT, Front-End Elec., HV PS等を真空中に配置
 クライオスタットをドリフトチェンバ圧力容器に兼用
 ~100MeVまでの低エネルギー粒子に対するトリガ感度を
保つためにソレノイドボア内部にMiddle TOFを設置
BESS-2000
TOF Counters
Solenoid
Jet chamber
Middle TOF
Inner DC
Jet chamber
Inner DC
Inner DC
Silica Aerogel
Cherenkov
TOF Counters
Jan. 18, 2002
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0
0.5
1m
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BESS–Polar Payload
 測定器下部に設置する供給電力600Wの
太陽電池システムを開発
Jan. 18, 2002
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超伝導ソレノイド
全体図
パルスチューブ冷凍機
LHe Tank
Coil
熱伝導冷却
400 liters
透明化を求められる宇宙線通過エリア
マグネット部
Outer Vacuum Vessel
80K Shield
20K Shield
Coil
Inner Vacuum Vessel
Jan. 18, 2002
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高強度超伝導線材の開発
 高強度アルミ安定化超伝導線
 ｢微少添加合金+冷間加工｣により、ブレークスルーを実現
SC 全体
200
Al-Ni,2%
Yield Strength [MPa]
150
BESS-Polar
(Al-Ni)
100
BESS
Ordinal Copper
LHC/ATLAS
(Al-Ni)
50
1.2×1.8 mm2
SSC/SDC
(Al-Zn/ Si)
ASTROMAG
(Al-Si)
BESS–Polar
0.8×1.1 mm2
(Pure-Al)
0
1975
1980
Jan. 18, 2002
1985
1990
Year
1995
2000
2005
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18
コイル粒子透過性の改良
 超伝導ソレノイド物質量 (Coil + Cryostat)
2
2
 0.2 Xo (4 g/cm )  0.1 Xo (2 g/cm )
Jan. 18, 2002
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コイル質量あたりのエネルギー密度
Jan. 18, 2002
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モデルコイル (1/2径)
 巻き線方法の開発
 サポートシリンダレスコイルの現実性の検証
 サーマルサイクル等の熱応力に対する強度
 線材のコイル化による臨界電流の変化(健全性の検証)
Jan. 18, 2002
｢物質の起源｣IIAS研究会
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モデルコイル励磁試験
 臨界電流値まで励磁実現  線材の100%性能確認
 冷却・昇温後のクラック発生等なし
サーマルサイクルに耐えるコイル
Jan. 18, 2002
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実機サイズ超伝導コイルの試作
 直径 : 実機サイズ
 超伝導コイル長 : 20cm
 実機と同等のコイル製作法
Jan. 18, 2002
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実機サイズモデルコイルの励磁
 1月17日~18日
 実機とほぼ同じ応力(軸圧縮力､フープ力)
実機製作開始への最終ステップ
Jan. 18, 2002
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太陽電池システム
 10~20日間の長時間フライト
 電力源として1次電池は重量から非現実的
 太陽電池システムを開発
 供給電力: 600W (重量< 300kg)
Jan. 18, 2002
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太陽電池構造体
 システムの信頼性の向上
 全方位型 (Pointingをしない)
 8面体構造を採用
測定器
4sided
太陽電池パネル
有効面積
3.4m2/面
26.9m2/８面
Sun Light
20% higher
8sided
Sun Light
0o
Jan. 18, 2002
Rotation Angle
360o
高さ約2.6m、差し渡し約6.5m、重さ約200kg
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熱設計
 南極周回気球ペイロードの熱設計
 南極の夏は日没なし
 氷の表面での反射大
測定器･太陽電池の過熱
発電効率の低下
Panel Temperature
< 1000C
 測定器･太陽電池表面の
太陽光吸収率､放射率の測定
Preliminary
 太陽電池温度の静的解析
Jan. 18, 2002
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BESS Power
2.8m
太陽電池パネル
NASA Power
2.5m
 実機サイズのパネル構造を
本年5月に三陸大気球観測所より打上げ(申請中)
Jan. 18, 2002
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データ収集システム
 低消費電力化 (~1/3)の要求
 Discriminatorの電力消費大
多種・多段トリガを採用できない
 高速データ収集システムを開発し､全ての事象を収集
各Front-EndにDSPを搭載し､並列にデータ収集
 必要に応じて記録するかをオンボード計算機で判断
SH4 CPU/Linux OSシステムによる
Online Event Selection
大容量ストレージ (~TB HDD Complex or Tape)
Jan. 18, 2002
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その他の準備状況
 飛跡検出器
 BESS–TeV用JET/IDCドリフトチェンバを利用
3月完成､夏のBESS–TeV実験で使用
 長時間実験のためのガス置換システムの開発
 TOF/Aerogel Čerenkov
 真空中に設置するPMTの製作
 高効率真空設置型HV PSの開発
 シリカエアロジェルの製作
 Middle TOF
 基本設計をほぼ終了し､
2月末にKEKで試作機のビームテスト
Jan. 18, 2002
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測定器性能
BESS–2000
BESS–Polar
Acceptance (m2 str)
0.3
0.3
Magnetic field (T)
1.0
0.8
Superconducting coil
Diameter (m)
1.0
0.9
Cryogen Life (days)
5.5
20
JET/IDC diameter (m)
0.83
0.76
Weight (kg)
2,400
1,400
Primary Batteries
Solar Cells
18
4.5
0.18~4.2
0.1~4.2
200 (1,400:BESS–TeV)
150
Power Source
Min. Material for trigger
(g/cm2)
Detectable Antiproton
Energy (GeV)
MDR （GV)
Jan. 18, 2002
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スケジュール
2000/4
2000/7
2001/2
2001/7
NASAとの協力協議開始,
COSPAR–2000で計画を発表,
NASA研究グループとの協力分担合意
科研費特別推進研究に採択 (~2007/3)
2002/5
2002/6
2002/7
ダ）
2002/11
2003/3
国内（宇宙研・三陸）でのテクニカルフライト
MOU改訂 (今年の実験実施から不可欠)
（BESS-TeV; 反陽子､高エネルギー陽子・ヘリウム@カナ
2003/5
2003/8
2004/1
2005
2006/1
アメリカでのテクニカルフライト
南極への観測機器発送
BESS–Polar 南極・第１回フライト
スペクトロメータ点検・アップグレード
BESS–Polar 南極・第２回フライト（~太陽活動極小期）
Jan. 18, 2002
スペクトロメータコンポーネント完成･KEKにてインテグレーション開始
BESS–Polarスペクトロメータ完成
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他の実験との比較
Project
PAMELA
BESS–Polar
AMS02
Flight Vehicle
Satellite
LDB
ISS
Flight Duration
3 years
10~20 days
3~5 years
Altitude
300~600 km
37 km (5g/cm2)
320~390 km
Orbit
70.4°
>70°S Lat.
51.7°
Acceptance
0.0021 m2str
0.27 m2str
0.3 m2str
MDR(GV)
740
150
~1000
PID
TOF/TRD/CAL
TOF/ACC
TOF/TRD/RICH/CAL
# of Helium
4×107
(1~2)×107
2×109
Launch
Fall 2002
Dec. 2003
March 2004
Collaboration
Inst./People
15 /~80
6 /~20
41 /~400
Jan. 18, 2002
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BESS–Polar実験の競争力
AMS
Sensitivity (St)
10
 低エネルギー反陽子観測では
南極周回気球が圧倒的に有利
相補的な3実験
BESS
1
BESS Antarctica
10-1
10-2
PAMELA
10-1
1
10
Kinetic Energy (GeV)
Jan. 18, 2002
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34
まとめ – BESS実験の成果




低エネルギー宇宙線反陽子スペクトルを精密に測定
宇宙線反陽子のほとんどは衝突起源
宇宙線伝播モデルは基本的にOK
Solar Modulationの電荷依存性を観測
 宇宙起源反陽子が存在する可能性?
 He/He < 10-6
Jan. 18, 2002
｢物質の起源｣IIAS研究会
35
まとめ – BESS–Polar実験の展望
 究極の低エネルギー反陽子観測を目指す
 EK~100MeVまで観測可能な
低物質量超伝導スペクトロメータを開発
 南極周回気球を利用し10~20日間の観測時間
 2003年12月~2004年1月に第1回実験を目標
2005~2006年の太陽活動極小期に第2回を計画
 反物質探索 He/He ~ 10-7
Jan. 18, 2002
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36
PAMELA
 極軌道衛星用のコンパクトな測定器
 永久磁石+シリコン飛跡検出器
 タングステン+シリコンカロリメータ (16X0 )
 TRD
 低磁気限界高度地域を通過
Emin~80MeV
 アクセプタンス ~ 20.5 cm2str
 総重量 380kg
Jan. 18, 2002
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AMS02
 大面積･立体角
 超伝導マグネット+シリコン検出器 MDR~1000GeV
 優れた粒子識別能力
 TRD
 RICH
 ECAL 15X0
 総重量6トン
Jan. 18, 2002
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