BESS–Polar...

BESS–Polar宇宙起源反粒子探索実験

2002年1月18日｢物質の起源｣IIAS研究会

KEK　吉田哲也

• BESS実験の成果

• BESS–Polar実験の概要

• 他の飛翔体反粒子探索実験との比較

• まとめ

Jan. 18, 2002 ｢物質の起源｣IIAS研究会 2

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!


BESS実験

KEKY.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 UniversityN.Ikeda, T.Maeno, T.Matsukawa, M.Nozaki, Y.Shikaze, K.Tanizaki and K.Yamato

ISASN.Yajima and T.Yamagami

NASA/GSFCJ.F.Ormes, J.W.Mitchell, A.A.Moiseev, M.Sasaki and R.E.Streitmatter

University of MarylandE.S.Seo


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)…


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)


実験の概要(2)BESS–2001 (BESS–TeV)

米国ニューメキシコ州


反陽子スペクトルの精密観測

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)

｢質量の同定｣による反陽子識別によりBuffingtonの測定値を否定

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

　　宇宙起源反陽子存在の可能性!


Solar Modulationの理解

Annual Variation of p/p Ratio

10-6

10-5

10-4

10-3

10-1 1 10

(GeV)Kinetic Energy

BESS(97)BESS(99)BESS(00)

Bieber et al., 199910o, (+) ~ 1997solar min. at positive phase

70o, (+) ~ 1999solar max. at positive phase

70o, (-) ~ 2000solar max. at negative phase

p/p

Ratio

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

1993~1999 2000


反物質探索

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?

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

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

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-1993~2000Preliminary

M. Sasaki (2000)BESS-93~98


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


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

Secondary only

Secondary + PBH

BESS Polar

Present BESS

AMSp

flu

x (

m-2sr

-1se

c-1G

eV-1)



その他の物理

反へリウム探索：

He/He比の上限値　 10-7

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.)


南極周回気球

昭和基地

マクマード基地

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

Tiger Payload as of Jan. 18, 2002

28日間(記録更新中)


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


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

0 0.5 1m

TOF Counters

Middle TOF

Jet chamber

Inner DC

Solenoid

Silica AerogelCherenkov

Inner DC

Inner DC

Jet chamber

TOF Counters

BESS-2000


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


超伝導ソレノイド

400 liters

全体図

Inner Vacuum Vessel

Outer Vacuum Vessel80K Shield

20K Shield

Coil

マグネット部

LHe Tank

パルスチューブ冷凍機

Coil

熱伝導冷却

透明化を求められる宇宙線通過エリア


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

BESS BESS–Polar

0

50

100

150

200

1975 1980 1985 1990 1995 2000 200

Yie

ld S

treng

th [

MPa

]

Year

(Pure-Al)

ASTROMAG(Al-Si)

SSC/SDC(Al-Zn/Si)

LHC/ATLAS(Al-Ni)

BESS-Polar(Al-Ni)

Ordinal Copper

Al-Ni,2%

SC 全体

1.2×1.8 mm2

0.8×1.1 mm2


コイル粒子透過性の改良

超伝導ソレノイド物質量　(Coil + Cryostat)0.2 Xo (4 g/cm2) 0.1 Xo (2 g/cm2)


コイル質量あたりのエネルギー密度


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)


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


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


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


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)


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

高さ約2.6m、差し渡し約6.5m、重さ約200kg

3.4m2/面有効面積

26.9m2/８面

測定器太陽電池パネル

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

0 50 100 150 200 250 300 350

Degree

Effectiv

e Area

Rotation Angle0o 360o

8sided

20% higher

Sun Light

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

0 50 100 150 200 250 300 350

Degree

Effectiv

e Area

4sided

Sun Light


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

測定器･太陽電池表面の太陽光吸収率､放射率の測定

太陽電池温度の静的解析

Panel Temperature < 1000C

Preliminary


太陽電池パネル

2.5m

2.8m

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)

BESS Power

NASA Power


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)


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


測定器性能

150200 (1,400:BESS–TeV)MDR （GV)

205.5Cryogen Life (days)

4.518Min. Material for trigger (g/cm2)

0.1~4.20.18~4.2Detectable Antiproton Energy (GeV)

Solar CellsPrimary BatteriesPower Source

1,4002,400Weight (kg)

0.760.83JET/IDC diameter (m)

0.91.0Superconducting coil Diameter (m)

BESS–PolarBESS–2000

0.81.0Magnetic field (T)

0.30.3Acceptance (m2 str)


スケジュール

2000/4 NASAとの協力協議開始,2000/7 COSPAR–2000で計画を発表,2001/2 NASA研究グループとの協力分担合意

2001/7 科研費特別推進研究に採択　(~2007/3)

2002/5 国内（宇宙研・三陸）でのテクニカルフライト

2002/6 MOU改訂 (今年の実験実施から不可欠)2002/7 （BESS-TeV; 反陽子､高エネルギー陽子・ヘリウム@カナダ）

2002/11 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

2003/3 BESS–Polarスペクトロメータ完成

2003/5 アメリカでのテクニカルフライト

2003/8 南極への観測機器発送

2004/1 BESS–Polar　南極・第１回フライト

2005 スペクトロメータ点検・アップグレード

2006/1 BESS–Polar 南極・第２回フライト（~太陽活動極小期）


他の実験との比較

51.7°>70°S Lat.70.4°Orbit

TOF/TRD/RICH/CALTOF/ACCTOF/TRD/CALPID

2×109(1~2)×1074×107# of Helium

41 /~4006 /~2015 /~80CollaborationInst./People

320~390 km37 km (5g/cm2)300~600 kmAltitude

~1000150740MDR(GV)

March 2004Dec. 2003Fall 2002Launch

0.3 m2str0.27 m2str0.0021 m2strAcceptance

3~5 years10~20 days3 yearsFlight Duration

ISSLDBSatelliteFlight Vehicle

AMS02BESS–PolarPAMELAProject


BESS–Polar実験の競争力

PAMELA

AMS

BESS

BESS Antarctica


Sensitivity(SΩεt)

10-2

10-1

1

10

10-1 1 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


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OKSolar 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


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


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


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

TRDRICHECAL 15X0

総重量6トン

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