反陽子 - 高知大学

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Transcript 反陽子 - 高知大学 

11aSA13
JPS2003宮崎
地球近傍における宇宙線陽子・
反陽子空間分布シミュレーション
普喜 満生，桑原綾子，澤田のぞみ
高知大学教育学部
Faculty of Education, Kochi University
目次

1. はじめに（動機・目的）
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2. 計算方法 (モデル)
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運動方程式
地球磁場
入射条件
3. 結果
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
（天然）反陽子はどこにどれだけ？
放射線帯の形成
空間分布
4. まとめ
1. はじめに（動機・目的）

1-1 反陽子と磁気圏
気球実験 (反陽子 と 陽子)
 衛星・宇宙ステーション (陽子, 電子)

 BESS,
CAPRICE, etc.
 AMS, HEAT, PAMERA…


地球の周りにはどこにどれだけ
反陽子 が存在しているのか ?
⇒コンピュータシミュレーション
2. 計算方法 (モデル)
2-1 運動方程式
Lorentz 力；
V ： 速度，ｍ： 質量 ， ｃ ：光速，
B：磁場 (静的)，ｑ：電荷，
E = 0；電場なし

2-2 磁場 (静的)

例 : 双極子磁場 ….. Störmer理論
 回転（ら線）
 反復
 ドリフト

IGRF (国際標準地磁気)

球面調和関数展開, 12次
SAA 領域 (低高度、弱い) (South American Anomaly)
磁気圏内に適用

磁気圏外帯成分 (Beard-Mead)の付加


2-3 入射モデル
初期条件

I） ｐ (磁気圏外からの自由入射陽子)
宇宙線一次陽子 CRPP

II） ｐ ＋ Ａ → ｐ ＋ Ｘ (空気との衝突反応)
発生＠20 km, アルベド陽子 CRAP

III）ｐ ＋ Ａ → ｎ ＋ Ｘ
ｎ → ｐ ＋ e－ ＋ ν (アルベド中性子からの崩壊)
τ ＝ 900 秒, 発生＜１０RE，崩壊陽子 CRAND
反陽子も同様, （対創生）
 III） ｐ ＋ Ａ → ｐ ＋ ｎ ＋ ｎ－ ＋ Ｘ (対生成)
ｎ－ → ｐ－ ＋ e＋ ＋ ν (反中性子からの崩壊)
３つのモデル
2.4 エネルギースペクトル
Fisk
Mode energy ～ 0.3 – 0.7 GeV
BESS
Mode energy ～ 2.0 GeV
continue

運動エネルギースペクトル （モデル-I&モデル-II）


F ( E ) １/ C  E  E ,
a
b
ただし C  b / a  Em
ba
Em: 最頻エネルギー, a, b: スペクトルべき指数




Em = 0.3 GeV for 陽子 (太陽活動静穏期),
Em = 2.0 GeV for 反陽子.
指数 a = -1, b = 1.5.
モデル-III (崩壊陽子/反陽子)

G( E )  F ( E ) / mc  E
2

計算方法
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

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


3-次元運動方程式を時間について解く
Runge-Kutta-Gill 法
範囲： RE(=6,350km) ～ 10・RE
時間刻み： 10 μ秒（近傍） ～ 10 m秒（外部）
１粒子当り最大６００秒間追跡
エネルギー範囲： 10 MeV ～ 10 GeV
出発位置および方向：ランダム（一様）
中性子崩壊：ランダム（τ＝900 秒），＜ 10・RE
3. 結果
捕捉確率
 ３つの解

Escape …. 磁気圏から
の脱出
Arrive …. 地球に到着
Trap …. 捕捉
(エネルギー依存性あり)
モデル
I
モデル
II
モデル
III
Escape
99 %
18 %
81 %
(⇒ バンアレン放射線帯)
Arrive
<1 %
82 %
18 %
３モデルからの３解の
確率（右表）
Trap
0
0
1.5%


磁気圏内でのカオス的運動

典型例 @ 1 GeV
捕捉確率
空間分布 (1)
モデル-I
モデル-II
モデル-III
陽子 100,000 例
continued
陽子 ～ 0.1 GeV, 1000 例
空間分布 (2)
・） 両極地方表面分布
@400km

陽子/モデル-I


100,000 粒子
反陽子/モデル-I
分散傾向
continued
・） 世界表面分布
ISS@400km
 陽子/モデル-III

10,000 粒子
 反陽子/モデル-III
SAA領域に集中
空間分布 (3)

高度分布 (Φ=-50,130deg)

陽子
反陽子
●
低高度→SAA
4. 結論
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
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

宇宙線(反)陽子は両極に到着しやすい
（リジディティ・カットオフ：宇宙線硬度限界）
崩壊陽子は Van-Allen放射線帯形成に有利
(CRAND; 宇宙線アルベド中性子崩壊)
低エネルギー（<0.1GeV）崩壊陽子ほど捕捉されやすい
高いエネルギー（～1GeV）反陽子は放射線内帯に捕捉
陽子と反陽子はSAA領域に集中しやすい
陽子の尾が東に、反陽子の尾が西に形成（逆周り）
反陽子の方が高度 2000km程度の低高度に強く集中
☆これらは定性的な結論!!
まとめ
 もっと統計量を！
 統一的モデルによる定量的考察
p－/p比,
 エネルギースペクトル,方向分布.
 生成効率・捕捉時間．
 太陽活動の影響等の変動.
 フラックス,

他の結果との比較
 理論・シミュレーション
 （来るべき）実験結果