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

2012.09.13 JPS2012秋季大会＠京都産業大学 1

シミュレーション計算によるシミュレーション計算によるCALETCALET 搭載装置の軌道上性能検証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

13aSP-1


CALETCALET 計画概要計画概要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

Japanese Experiment Module (Kibo)

International Space Station

Cosmic Ray Sources

Dark Matter　 annihilation　 or decay

electrongammanucleus

e- & e+

2gamma


CALETCALET 装置構成装置構成

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 ）　 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

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

★ 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）

448 cm

cm

cm

320 cm


搭載モデル搭載モデル

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 層間のハニカム構造 PWO の面取り構造

搭載モデルの性能検証

PWO 面取り構造（模式図）IMC 層間の Al ハニカ

ム

SciFi 不感領域（クラッド）

IMC

TASC

CHD

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粒子識別性能


シミュレーション条件シミュレーション条件

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 4 種類の幾何条件でイベントを選別

トリガー条件High energy shower

All particles

>10GeVIMC7,8 層目＆TASC1 層目

Low energy shower

e± >1GeVCHD&IMC1~8 層目 &TASC1 層目

HeavyNuclei (Z>10)

>Rigidity cutoff

CHD&IMC1~4 層目

幾何条件 (1) 幾何条件 (2) 幾何条件 (3) 幾何条件 (4)


検出効率

エネルギー分解能

100%

電子に対する検出効率・エネルギー分解能電子に対する検出効率・エネルギー分解能

電子 1TeV

　幾何条件 (1)

　幾何条件 (4)


陽子 10TeV

原子核成分に対する検出効率・エネルギー分解能原子核成分に対する検出効率・エネルギー分解能

エネルギー分解能（ TASC4 層以上で衝突）

検出効率（ high energy shower trigger ） p

He

C

Si

Fe


到来方向決定精度到来方向決定精度

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

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

68%

γ 線 100GeV電子 10GeV


電子観測の際の陽子バックグラウンド

Cosmic-ray electrons

Cosmic-rayprotons

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

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

電子 1TeV 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

電子電子 // 陽子識別性能陽子識別性能


　 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

シャワーの横拡がり

エネルギー損失比

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 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

Step 2.

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

Step 1.

Preliminar

y

トリガー条件（ High Energy Shower)→70% の陽子を除去


electrons

protons


Step 4.

IMC における横拡がりを用いて TASC 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 CHD 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）



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・ 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) 　

― エネルギー分解能・ H ： 32 ~ 41 % (0.1 ~ 100 TeV)・ He ： 28 ~ 37 % (0.1 ~ 100 TeV)・ C ： 25 ~ 40 % (0.1 ~ 100 TeV)・ Si 　： 30 ~ 40 % ( 1 ~ 100 TeV)・ Fe : 20 ~ 37 % ( 1 ~ 100 TeV)

まとめまとめ


EndEnd


原子核成分に対する検出効率・エネルギー分解能原子核成分に対する検出効率・エネルギー分解能検出効率（ TASC4 層以上で衝突）



幾何条件 (1) 幾何条件 (2)

幾何条件 (3) 幾何条件 (4)


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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