天体硬 X 線偏光計 PoGO の開発（ I ）

1. 天体硬X線偏光計PoGOの開発（I） 水野恒史、山本和英、深沢泰司（広大理）、 金井義和、有元誠、植野優、片岡淳、河合誠之(東工大)、 郡司修一（山形大学）、 斉藤芳隆、高橋忠幸（ISAS/JAXA）、 T.P.Ylinen、M. Kiss、田島宏康、釜江常好、Z. Apte（SLAC）、 M. Pearce(KTH) ほかPoGOチーム 目次: PoGOの概要 開発試験1~3 開発体制、スケジュール 諸元 期待される成果1、2 まとめ

2. 硬X線偏光検出器PoGO • 偏光：天体のジオメトリを直接さぐる、まったく新しいプローブ • シンクロトロン放射 • パルサー：磁場構造、放射機構 • AGN、マイクロクエーサー：磁場構造、ジェットのメカニズム • コンプトン散乱 • ブラックホール連星：降着円盤の構造 • PoGO計画 (Polarized Gamma-ray Observer)： slow scintillator (t~200ns)/ passive collimator • 2009年初頭の気球による硬X線観測 (25-100 keV)。最初のターゲットはかにパルサー • 日米欧の国際協力 • 約200本のプラスチックシンチレーター (t~2ns)からなるコンプトン散乱型偏光計 • Suzaku HXD-IIでも採用された井戸型フォスウィッチカウンタのデザインによる徹底した低バックグラウンド化を実現 side BGO (t~300ns) bottom BGO PMT

3. 開発試験（I）：PMT/シンチレーター • Kataoka et al. 2005, SPIE 5898, 133 • コンパクト(1 inch、19 cm、228 g)な筐体に、PMT、ブリーダー、高圧電源を内蔵 • Suzaku HXD-IIのデザインに基づいたブリーダー回路 • 低消費電力(~300mW/unit; 65W total) • 低ノイズ(高感度) • 宇宙線由来の大パルスに強い PMT ブリーダー 高圧電源 • 集光率の向上 • 極めて高い光量(7-8 p.e./5.9 keV) • Fast/Slow プラスチックシンチレーター、BGO、反射材も工夫をこらす • フライトコンフィグレーションでも0.5 p.e./keV • 観測下限：25 keV 55Fe 7-8 p.e./5.9 keV one photon peak

4. slow scinti./passive collimator Fast scintillator PMT BGO crystal 241Am 90Sr • PSDカット後： • 241Amのみと同じスペクトル 20keV 60keV 開発試験(II):波形弁別 Test by T. Ylinen and M. Kiss (SLAC) Slow branch 波形弁別(PSD)により、バックグラウンドを落とせることを実証 Fast branch Slow Shaper Out • PSDカット前: • Fastシンチレーター(241Am) • Slowシンチレーター(90Sr) 241Am ピーク Fast Shaper Out

5. 開発試験(III):ビーム試験 • 定期的にビーム試験を行い、検出器およびシミュレーターの開発にフィードバック • 2003年Argonne (Mizuno et al. 2005, NIMA 540, 158) • Fastシンチ7ユニットによる動作原理の確認。MCのValidation (G4の修正)。 • 2004年KEK (Kataoka et al. 2005, SPIE 5898, 133) • フライトPMTを用いた、30 keVまでの試験 • 2005年KEK (Kanai et al. in preparation) • Slowシンチ、BGOも含んだフルユニット • 波形弁別の実証と25 keVまでの試験(観測下限域) 詳細は植野の講演 Modulation Curve for 73 keV beam Argonneビーム試験(2003)より MCの予想 実データ Modulation Factor: 42+-1 %(data) vs. ~47 %(simulation) beam direction 装置の回転角

6. 開発体制とスケジュール • 日本：東京工業大学、広島大学、山形大学、JAXA/ISAS • PMT、ビーム試験、データ収集システム、センサー試験、シミュレーション • 米国: • データ収集システム、プラスチックシンチレーター、センサー試験および組み上げ、気球実験、理論モデル • スウェーデンおよびフランス: • BGOシンチレーター、 反射材、理論モデル 国際協力のもと、2009年初頭のフライトを目指す 2006 2008 2003 2004 2005 2007 Proton Beam Test (Osaka) Sensor Complete Proposal to NASA Next Proposal to NASA Gondola Ready Flight Instrument Integration Spring8/Argonne Beam Test KEK Beam Test KEK Beam Test 1st prototype (fast scinti. 7 units) 2nd prototype (fast/slow 19 units+anti) Flight Instrument Integration and Test

7. PoGOの諸元 超低バックグラウンドによる、高感度を実現 Modulation Curve for 100 mCrab source, 6h obs. Expected source and BG spectra 100 mCrab(incident) 100 mCrab (detected) Signal/BG=~4 MF=22.8+-0.7 % (30s) BG total (CXB/ atmospheric downward/upward) BG 20 100 keV 散乱の方位角(rad)

8. Caustic Polar cap Outer gap PoGOで期待される成果(I) Dyks and Rudak, ApJ, 2003 • 高い感度を生かした観測 • かにパルサーからの世界初のX線偏光の検出 • パルサーの放射機構の解明 6時間のフライトで、放射モデルを明確に区別可能 モデル毎に異なる偏光度、方位角が予想される Modulation Curve for the 1st peak polar cap model caustic model outer gap model Polar Capモデルの予想 (A. Hardingによる) パルス強度 偏光の方位角 散乱の方位角(rad) パルス位相

9. PoGOで期待される成果 (II) • ブラックホール連星(Hard State) • Cyg X-1など • 降着円盤による散乱の直接検証 • 系のジオメトリの決定 • AGN、マイクロクエーサー • Mkn501, 1ES1959+650、GRS1915+105など • X線シンクロトロンの直接検証 • 磁場構造->ジェットのメカニズム • X線パルサー(連星系) • Her X-1など • 強磁場中での光子伝播、コンプトン散乱に関するQED予想の検証 有元修論より 10%偏光を仮定 MF: 2.7±0.2% ( ~15σ detection) 散乱の方位角(rad)

10. まとめと今後の課題 • PoGO (Polarized Gamma-ray Observer) • 硬X線(25-100 keV)での高感度偏光観測 • 日米欧の国際協力 • 2009年初頭の気球観測を目指す(かにパルサー、他) • 10-20 mCrabという低バックグラウンド • 精力的な開発試験 • コンパクト、高性能なPMT • 高い光量と透過率を持つシンチレーター • 実験室レベルでの波形弁別、偏光測定の実証 • 定期的なビーム試験 • 実験とシミュレーションの相互フィードバック • 多様な観測対象 • パルサー(磁場構造と放射機構、QED予想の検証) • ブラックホール連星(降着円盤の構造) • AGN/マイクロクェーサー(磁場構造、ジェットのメカニズム) • 今年度は、、、 • シンクロトロンビーム試験、陽子ビーム試験 • 気球搭載用読み出し回路の開発 • フライトユニットの製作、性能評価に着手

11. Backup Slides Backup Slides for discussion

12. ブリーダー回路 ② ① • Suzaku HXD-IIのデザインを踏襲(実証済み！) • (1) ゲインの安定性 • (2) 大パルスに対する早いリカバリ

13. 大パルス応答(1) randompulse generator logic level adapter gate generator discri attenuator scaler LED Dy ADC CSA shaperτ= 1 us R7899 ZL5951 BGO scintillator oscilloscope 241Am HV = +1100 V • Weak scintillation light from BGO crystal (241Am: ~100Hz) • were read by PMT-ASSY, under a random illumination of • high-counting (> 100 Hz), large (~ 100 MeV) LED signals.

14. 27 大パルス応答(2) • Recovery time is < 80ms. 80 ms • Peak ch of 59.5 keV signal • is unchanged within 5% level. すばやいリカバリ • Noise increased with LED • rate, but < 0.4 p.e. for 1kHz. 241Am peak ch 低ノイズ ±5% 安定したゲイン

15. Bug fix of Geant4 (1):Rayleigh Scattering (a)100%偏光した単色(100keV)のγ線を入射 (b)217ユニットのプラスチックシンチレータ(full size PoGO)に、100%偏光したCrabのスペクトル(25-200keV)を入射 Rayleigh散乱後の偏光ベクトルと運動量ベクトルのなす角 初回のコンプトン散乱の際の、方位角の異方性 -- Geant4 (original) -- Geant4 (with PoGO-fix) cos(theta) • G4のRayleigh散乱には偏光のプロセスがなく、結果として偏光の情報が失われる->修正 -- Geant4 (original) : MF=46.5% -- Geant4 (with fix) : MF=49.4% -- EGS4 : MF=49.4% 散乱の方位角(度)

16. Bug fix of Geant4 (2): Compton Scattering (a)100%偏光した単色(100keV)のγ線を入射 217ユニットのプラスチックシンチレータ(full size PoGO)に、100%偏光したCrabのスペクトル(25-200keV)を入射 前方Compton散乱後の偏光ベクトルの向き(Thomson極限) -- Geant4 (original) -- Geant4 (with PoGO-fix) 2回めのコンプトン散乱の際の、方位角の異方性 方位角(度) • G4でCompton散乱の際、偏光ベクトルの向きがばらばらにされ、次の散乱での異方性がなまされる->修正 • Rayleigh散乱、コンプトン散乱のプロセス修正後のG4は、PoGOのエネルギー範囲でEGS4と数%で一致 -- Geant4 (original) : MF=16.7% -- Geant4 (with fix) : MF=32.5% -- EGS4 : MF=32.5% 散乱の方位角(度)

17. Effective Area Eth=2 keVを仮定