シミュレーションによる地球近傍における陽子・反陽子の空間分布 III

普喜　満生

高知大学　教育学部　理科専修高知市曙町 2-5-1, Kochi 780-8520, JAPAN

Email: fuki@cc.kochi-u.ac.jpWeb:

http://akebono.ei.kochi-u.ac.jp/~fuki

JPS2005_NodaMar.27.2005

１．はじめに（動機・目的）

２．計算モデル（作業仮説）

方程式と磁場

入射モデル

エネルギースペクトル

３．結果

空間分布

到来方向分布

エネルギー分布

４．結論と考察

1. はじめに

1-1 反陽子の観測実験の現状 気球実験 ⇒ 反陽子反陽子 & 陽子

BESSBESS, CAPRICE, etc. 人工衛星・宇宙船・宇宙ステーション（ Mir/STS/ISS ）

　　　　　　　 ⇒　反陽子 , 陽子 , 原子核，電子 AMS, HEAT, PAMERA…

数千個の反陽子が観測された

⇒　 地球近傍でどこにどのくらい“天然”の地球近傍でどこにどのくらい“天然”の反陽子反陽子はは　　存在しているのか　　存在しているのか ?? 　。。。目的　。。。目的

コンピュータシミュレーションで空間分布とエネルギー分布を推定 反陽子の（ほとんど衝突からの２次といわれる）発生の起源の探索1. JPS2003 （宮崎）報告 I ・・・両極到来・捕捉確率・放射線帯の形

成2. JPS2004 （福岡）報告 II ・・・エネルギー分布・到来方向分布3. JPS2005 （野田）報告 III ・・・今回

１） エネルギースペクトル

Mode energy ～ 0.3 – 0.7 GeV

Mode energy ～ 2.0 GeV

Fisk BESS

●陽子　　　　　　　　　　　　　　　　　　　●反陽子（ < 1/10000 ）

反陽子はどこから？

２ ) 放射線の空間分布 ( 高度 400km)

●陽子 & 電子（ by Mir ）　　　　　　●中性子（ RRMD ＠ STS/NASDA ）

反陽子はどこにある？

SAA （南アメリカ異常地帯）と両極地方に多い

Solar-min

Solar-max

2. 計算モデル

2-1 運動の方程式

Lorentz 力 F ；　　ｍ： 質量 ， ｃ ：光速，ｑ：電荷， V ＝ (dx/dt, dy/dt, dz/dt) ： 速度，　 B ：磁場 ( 静的 ) ， ⇒地球磁気圏（ RE<r<10RE;IGRF ＋Mead 補正） E = 0 ；⇒ 電場はなしとする…（共回転電場 ~0.1MeV ）

2-2 ）地球磁気圏磁場 １）双極子モデル

簡単、粗い、速い

２）２） IGRFIGRF （国際標準磁（国際標準磁場）場）

地球近傍（ RE ≦ r ＜ 5RE ）、SAA を説明できる

３） GEOPACK （ Tsyganenko ）

地球磁気圏全域（ r ＜ 50RE ）、

　　複雑・計算時間、日・季節・経年変化などDipole IGRFIGRF Geopack

44 sec 373 sec373 sec 3694

RKG4,1000 個 ,Model-I,Tmax=4sec,dt=1e-5,PentiumIII_1GHz,WinXP+C++

2-3 入射モデル ( 初期条件 )

陽子 I ） 宇宙線陽子 ( 磁気圏外からの一様入射 )

銀河 (or 太陽 ) 宇宙線一次陽子 ： GCR II ） ｐ ＋ Ａ → ｐ ＋ Ｘ ( 空気との原子核衝突から陽子発生 )

生成＠ 20 km, アルベド (Albedo) 陽子 ： CRAP III ）ｐ ＋ Ａ →　ｎ ＋ Ｘ ( 空気との原子核衝突から中性子発

生 ) ｎ → ｐ ＋ e － ＋ ν ( アルベド (albedo) 中性子の崩壊 )

τ ＝ 900sec, 発生＜１０・ RE ， 崩壊陽子： CRAND

反陽子 , （衝突 2 次起源；対発生） I) 銀河宇宙線反陽子 ( 磁気圏外からの一様入射 ) II) ｐ ＋ Ａ →　ｐ ＋ ｐ ＋ ｐ－ ＋ Ｘ　　　　　　 ( 空気の原子核衝突から反陽子の対発生 ) III ）ｐ ＋ Ａ →　ｐ ＋ ｎ ＋ ｎ－ ＋ Ｘ　　　　　　　　　　　 ( 空気の原子核衝突から反中性子の対発生 )

ｎ－ → ｐ－ ＋ e ＋ ＋ ν ( 反中性子からの崩壊 )

2.5 計算モデルとパラメータ

１）３次元運動方程式を時間について数値的に解く

Adamus-Bashforth-Moulton 6th method Runge-Kutta-Gill 4th method ・・・ (better)

計算範囲： RE(=6,350km)+20km ～ 10 ・ RE （地球磁気圏内） 時間刻み： 可変， 10μ秒（ <1000km ） ～ 10m秒（外側） 時間制限： 最大 max.600秒 (10 分間 ) 磁気圏磁場 : 静的 , IGRF (内側 ) + Beard-Mead項補正 ( 外側 )

２）初期入射条件としてモンテカルロ法 エネルギー範囲： 10 MeV ～ 10 GeV ランダム

エネルギースペクトルからサンプル EmEm （（陽子陽子）＝）＝ 0.3GeV , Em0.3GeV , Em （（反陽子反陽子）＝）＝ 2.0GeV2.0GeV

出発位置と方向： ランダム（球面上一様 , 等方ベクトル） モデルⅠ（地球外から入射、 cosθ>0.9 ）、 モデルⅡ・Ⅲ（地球表面から出発）

（反）中性子崩壊： 指数ランダム（ τ ＝ 900 秒），＜ 10 ・ RE

３ . 結果(1) 捕捉確率（反陽子） ３つの解（脱出・到着・捕捉）

Escape …. 磁気圏からの脱出

Arrive …. 地球に到着 Trap …. 捕捉（ >10 分）

磁気圏内でのカオス的運動 (⇒ バンアレン放射線帯 )

３モデルからの３解の　　　確率（⇒右表）

モデル I GCR

モデルIICRAP

モデルIIICRAND

Escape 99 % 18 % 81 %

Arrive <1 % 82 % 18 %

Trap 0 ~0 1.5%

典型例 @ Ek ＝ 1 GeV

( エネルギー依存性あり )

２ ) 空間分布 (1)

ModelⅠ

GCR モデル -II

モデル -III

ModelⅡ

CRAP

ModelⅢ

CRAND

脱出確率・到着確率・捕捉確率

２）空間分布 (2)

・） 極地方の表面分布　 @400km 陽子 /モデル I

input 100,000 粒子オーロラ帯

反陽子 /モデル I input 100,000 粒子広く拡がる

＊）宇宙線カットオフ・ Rigidity 分布／モデル II

両極地方に穴

＊）宇宙線カットオフ・ Rigidity 分布／モデル II

２）空間分布 (3)・） 世界表面分布

ISS 高度 @400km 陽子 /モデル III

Input 100,000 粒子 右周り SAA 、東に尾

反陽子 /モデル IIIInput 100,000 粒子 左周り SAA 、西に尾

Same color means same particle (orbits)

50E 130W

⇒陽子

←反陽子

２）空間分布 (4)

陽子は 4000 km付近に多く、 反陽子は 2000 km付近に多い低高度成分は SAA領域をつくる

高度分布 断面 (Φ=-50°(SAA側 ) ｖｓ 130°( 反対側 ) )●陽子／モデル III ●反陽子／モデル III

２）空間分布 (4)•高度分布断面 (傾斜角 Θ=10° ， Φ=-50°(SAA) ｖｓ 130°( 反対側 ) )●陽子／モデル III ● 反陽子／モデル III

10万粒子＠１ week （もう一桁⇒ 100万粒子）

陽子は 4000 km付近に多く、 反陽子は 2000 km付近に多い低高度成分は SAA領域をつくる

３ ) 到来方向の違い

ISS軌道上

（ @400km ・ Θ<52° ）

● 陽子／モデル III

Input 100,000 粒子

上方到来 : 北

下方到来 : 南東

● 反陽子／モデル III

Input 100,000 粒子　 上方到来 : 南西 下方到来 : 西

４）エネルギースペクトル PreliminaryISS 高度＠ 400km

（放射線内帯）

反陽子／モデル III

•0.1 ～ 2GeV で増加

スペクトルの変形スペクトルの変形

•もっと統計量必要

両極地方＠ 400km

反陽子／モデル I

スペクトルの変形は小

Input

Observed

4. 結論 両極地域 ( 高緯度 ;High Latitude)

宇宙線 ( 反 ) 陽子 は地磁気圏外から両極地方に到着しやすい （ by モデルⅠ）・・・・ GCR due to Rigidity Cut-off 反陽子は陽子より広がって分布 反陽子エネルギー分布は変形されない

放射線帯中 (RadiationBelts) 崩壊 ( 反 ) 陽子が Van-Allen 放射線帯を作る (CRAND; Cosmic ray Albedo neutron decay ： modelⅢ) 低エネルギー側（ <0.1GeV ）の崩壊陽子は広く補足される 高エネルギー側（～ 1GeV ）の反陽子は内帯に捕捉される 反陽子は低高度 ( ～ 2000km) に集まる

ISS軌道高度（ Altitude400km ） 陽子と反陽子は同様に SAA領域に集まる 到来方向は陽子（北）と反陽子（南西）で反対方向 SAA では尾を陽子（東）と反陽子（西）にひく

（これらは定性的な結果）

5. 考察と今後の課題 陽子と反陽子の空間分布の定量的な考察の必要

入射条件の精密化（ 2 次粒子の出発位置・方向） もっと統計量！　⇒　もう一桁

100K 粒子 → 1M….. 今 ,10K/1 日 (Pentium4,2GHz) 統一的な議論：

３モデル⇒１モデル 流束 , p － /p比 , （原子核 , 同位体 , 反原子核？） エネルギースペクトル , 到来方向分布 . 発生率 , 捕捉時間 , 漏れ出し率． 時間変動 （短期 , 長期 , ストーム） . 太陽活動 , モデュレーションなど .

他の結果との比較 理論・シミュレーション （ coming ）実験データ

その他の太陽系効果 ・・・ > 反陽子生成の起源 太陽磁場、惑星磁場（木星など）