南極周回気球・超伝導スペクトロメータ−による �宇宙起源反粒子の探索： �

BESS実験�

山本�明�（KEK）九州大学・物理談話室（セミナー）

2016-10-11A. Yamamoto, 16/10/11 1

2

BESS Collaboration The University

of Tokyo

High Energy Accelerator Research Organization(KEK)

University of Maryland

Kobe University

Institute of Space and Astronautical Science/JAXA

National Aeronautical and Space Administration Goddard Space Flight Center

University of Denver

BESS Collaboration

Balloon-borne Experiment with a Superconducting Spectrometer A. Yamamoto, 16/10/11

BESS 実験�

A. Yamamoto, 16/10/11 3

超伝導技術を駆使し、気球による宇宙線観測を通して初期宇宙の姿を探る。�

反粒子・反物質？�

n  反粒子？n  電荷の符号が反対の粒子n  陽子の反粒子は反陽子

n  反物質？n  反粒子によって構成された

物質

n  反銀河n  反物質で構成された銀河�

n p

He He

n p

粒子����反粒子陽子(+)�� 反陽子(-)

銀河� 反銀河�

物質����反物質ヘリウム��反ヘリウム�

A. Yamamoto, 16/10/11 4

5

宇宙起源反粒子の探索を通して�初期宇宙の歴史を探る�

1.5x1010 現在109 銀河の生成106 年 分子の生成10-4 陽子等素粒子の生成

10-34 秒 反物質・反粒子の消滅？原始ブラックホールの生成？物質密度の揺らぎ

� インフレーション0 はじまり�

�宇宙初期の素粒子現象の痕跡を探る��→�反粒子、反物質の探索が鍵を握る��

反物質の謎？•  観測されていない•  ��(He/He の存在比上限値：�7x10-7)•  宇宙初期に消滅？

反陽子？•  僅かに観測されている�� (陽子に対して< 10-4)

•  ほとんどは、宇宙線の衝突を起源？à 二次粒子

•  宇宙初期現象を起源？� �à�ミニ（原始）ブラックホールの蒸発？

反粒子で探る初期宇宙の姿�

現在： 137億年�

ミニブラックホールの生成？�10-34 秒�

A. Yamamoto, 16/10/11 6

ミニブラックホールの形成と蒸発�

生成：エネルギ−密度に極端な”むら”密度の高い小さな領域が重力収縮。→ミニブラックホールに（原子核位、小さい）�

n  質量が減少し、温度はあがる、やがてn  爆発的に粒子／反粒子を放出し消滅。�

蒸発：表面では粒子／反粒子が対生成、対消滅。・粒子が吸い込まれると反粒子が放出される�

S. ホーキング

初期に~1015gのBHは今、蒸発中！�

銀河� 地球�

反粒子�粒子�

10-34 秒�

時間�

A. Yamamoto, 16/10/11 7

宇宙線衝突を起源とした二次的な反陽子がほとんど。しかし 低エネルギーでは、ミニBHを起源とする反陽子が見つかるかもしれない。 反陽子の観測を通して初期宇宙の素粒子像を探る！

pp

pp

p

p

宇宙線の星間物質 との衝突から

ミニブラックホール の蒸発から

銀河 地球

反粒子 粒子

宇宙線反陽子の起源�

A. Yamamoto, 16/10/11 8

PBH�

Secondary�

9

宇宙線反粒子のエネルギースペクトラム

高エネルギーでは、宇宙線の衝突でできた二次的な反陽子が圧倒的。しかし、

低エネルギーでは、宇宙初期起源反陽子が見つかるかもしれない。

宇宙起源反陽子がみえる？

二次起源ミニBH起源

BH表面での粒子・反粒子の対生成�

pp

pp

p

p

宇宙は“無”から始まったとすれば、宇宙初期には物質と等量の反物質があったはず。

現在の宇宙には反物質は見つからない。

宇宙の進化の途中で反物質が消え去った!？

宇宙から消滅した反物質

物 反

物

反

137億年

消え去っていなければ星も生物も存在できなかったはず。

A. Yamamoto, 16/10/11 10

11

ASTROMAG 構想 (1980’s)�Antiparticle Search on the Space Station �

A. Yamamoto, 16/10/11

Thein Solenoid型を提案�

BESS Achieving ASTROMAG Goal �

A. Yamamoto, 16/10/11 12

ASTROMAGproposed in 1985�

BESS-Polar Results published in 2012� à後述�

ASTROMAG and after : 1985~ n  宇宙ステーションへの設置を計画 n  残念ながらASTROMAG計画はキャンセル n  代って、多くの気球実験が計画、実現された

IsotopesSMILIMASSIMAXBESSCAPRICEISOMAX

AntimatterLEAPPBARMASSIMAXBESSCAPRICEHEAT

A. Yamamoto, 16/10/11 13

現在は、�

History to Search for Cosmic-ray Antiparticle

1979: Fist Observation (Golden et al)1981: Excessive Flux? (Buffington et al)1985: ASTROMAG

Proposal of thin solenoid spectrometer 1987:BESS proposed by Prof. Orito

1993: BESS：6 antiproton observed

Energy spectrum1996: Solar Minimum

Primary origin? 1998: AMS-1 2000: Solar maximum2004: BESS-Polar, �PAMELA 2007/8: Solar Minimum, BESS-Polar II

20011: AMS-02

A. Yamamoto, 16/10/11 14

磁極近くの上空で宇宙線を観測する�

n  大気の影響を受けにくい上空での観測�

• �低エネルギー粒子が地球に降り注ぐ、磁極近くでの観測�

Lynn Lake ･Lynn Lake

1,500 km37 km

ロッキー山脈�����リンレーク�

40 km15 A. Yamamoto, 16/10/11

Progress of BESS Experiment

1993~ 2000, BESS, North Canada2002, BESS-TeV

2001, BESS-TeV, Fort Sumner

2004 BESS-Polar I, Antarctica2007/8 BESS-Polar II

1999, 2001, BESS-Ground, Japan

11 scientific balloon flights

A. Yamamoto, 16/10/11 16

観測の方法�

n  超伝導磁石（磁場）、飛跡検出器n  電荷極性、n  運動量 (質量x速度) / 電荷(Z)�＝�R

n  飛行時間測定器n  速度(β）測定 n  エネルギ損失 dE/dx ∝ 電荷数(Z2)

n  チェレンコフカウンターn  速度、光量差による粒子識別

n  質量の決定n  粒子の同定n  →質量�＝f（運動量, 電荷, 速度）�

粒子透過性のあるコイル。正負を振り分け、軌跡から運動量を決定�

＋�ー�

m 2 = R2e2Z 2 β−2 −1( )A. Yamamoto, 16/10/11 17

18

永久電流の実現

•  ヒーターを炊いて、超伝導ループを遮断

•  外部から電流を供給して充電

•  ヒータをオフして、超伝導ループを形成

•  外部からの電流をオフ、電源切り離し

•  永久電流磁場の達成

永久電流スイッチ

超伝導コイル

外部電源

ヒーター

A. Yamamoto, 16/10/11

n 11 BESS Flights during 1993 ~ 2008 with improved detectors

n Same systematics => Directly compare n  Various cosmic-ray species, Different solar modulation

Evolution of BESS

2004, 2007

166 1512, 7886 A. Yamamoto, 16/10/11 19

20

バルーンの打ち上げ・観測�

A. Yamamoto, 16/10/11

21

着地・着水・回収�（あらゆることが起きます）�

A. Yamamoto, 16/10/11

BESS(95-97) の観測à南極への動機

n  BESS(95-97) and others: n  In previous Solar Cycle n  Distinctive peak at ~2 GeV

n  Consistent with secondary origin by 10~15%

n  Excess in the low energy??? n  Exotic source n  Primary origin (PBH?)

n  Higher statistics is necessary!

A. Yamamoto, 16/10/11 22

23

BESS-Polarスペクトロメータの開発�• 南極

•  コンパクト

• 低エネルギー•  透明化

• 長時間フライト• 太陽エネルギー• 冷媒の長寿命

• 太陽活動極小時期 • 2006~7

•  さらに粒子透過性能が良く、精度の高い 超伝導スペクトロメータの開発に挑む ��

A. Yamamoto, 16/10/11

24

BESS-Polar: スペクトロメータの透明度これまでの〜1／4の物質量を目指す�

<< TOF: 1 g/cm2

<< Mag: 2 g/cm2

<< IDC: 1 g/cm2

<< JET:<< Others:<1 g/cm2

�

Thin-TOF Sum 5 g/cm2MagnetAerogel CherenkovTOF (1 cm)

0.1 GeV @ TOA0.06 GeV @ TOI

0.03 GeV-min. in JET

マグネットの内側でトリガー�

A. Yamamoto, 16/10/11

BESS-Polar 薄肉超伝導コイル�

磁場：0.8 T直径：0.9 mコイル厚さ：3.3mm

超伝導線の高強度化でコイルをさらに透明／軽量化�A. Yamamoto, 16/10/11 25

26

粒子検出器の開発�

A. Yamamoto, 16/10/11

A. Yamamoto, 16/10/11

BESS-Polar II

•  Longer Observing Time - Magnet cryogen life: >25 days

-  520 liters LHe -  16 TB data storage

•  Improved Reliability - Pressurized TOF PMT units -  Improved electronics efficiency

•  Improved Performance - ACC rejection power - Middle TOF resolution - Outer TOF resolution

27

01day

02day

03day

04day

05day06day

07day

08day

Landing (Polar-I)

01day

02day03day

04day

05day

06day

07day08day09day10day

11day

12day

13day

14day

15day

16day

17day 18day

19day

20day

21day

22day

23day

24day25day26day

27day28day

29day

Launch

Landing (Polar-II)

BESS-Polar Long duration balloon flights 2 weeks ~ month •  New Spectrometer with an ultra thin solenoid •  Solar Power system

BESS-Polar I BESS-Polar IILaunch date Dec. 13th ,2004 Dec. 23rd , 2007

Observation time 8.5 days 24.5 daysCosmic-ray observed 9 x 108 events 4.7 x 109 events

Flight altitude 37~39km (5~4g/cm2) ~36km (6~5g/cm2)

南極での準備

User’s Bldg. Control Mech.

Cafeteria

南極での準備期間

　　　　　一ヶ月間

Oct. 26 第一陣,南極入りWilliams Field での準備作業

Williams Field(~15km from McMurdo)‏

・Integration ・Thermal insulation ・各測定器/通信システムの　最終調整

29 A. Yamamoto, 16/10/11

A. Yamamoto, 16/10/11

BESS-Polar II Launch - December 22, 2007

30

A. Yamamoto, 16/10/11

BESS-Polar II Flight

Positive Event

Negative Event

• Launch 12/22/07 17:30 UTC

• Science Termination 1/16/08 2:00 UTC

• Magnet-on at float - 24 days 10 hours

• Average altitude ~36 km (118,000 ft)

• Latitude 77.9° - 83° South

31

A. Yamamoto, 16/10/11

End of BESS-Polar II Flight

• Flight termination January 20, 2008 ~30 days

• Location 83 ° 51.23’ S, 73° 5.47’ W

• On West Antarctic ice sheet - 225 nm from Patriot Hills Camp, 185 nm from AGO-2, 357 nm from South Pole

• Data successfully recovered February 3, 2008! 32

BESS-Polar II Recovery

Antiproton Measurement "in BESS-Polar Flights

Published in PRL 108, 051102 (2012)!

A. Yamamoto, 16/10/11 34

Antiproton

n  Collision Origin (Secondary)

n  Kinematically suppressed in low energy

n  Primary Origin n  Evaporation of Primordial

black hole n  Annihilation SUSY DM n  Could be probed as soft

spectrum

PBHSUSY DM

Secondary

A. Yamamoto, 16/10/11 35

Antiproton observations in 1990’s

n  BESS(95-97) and others: n  In previous Solar Cycle n  Distinctive peak at ~ 2 GeV

n  Consistent with secondary origin by 10~15%

n  Excess in the low energy??? n  Exotic source n  Primary origin (PBH?)

n  Higher statistics is necessary!

A. Yamamoto, 16/10/11 36

BESS Polar II Antiproton Measurements

• MDR 240 GV, TOF 120 ps, ACC rejection 6100

• 7886 Antiprotons ~10-20 times previous Solar minimum dataset

BESS-Polar II Z=1 Particle Id Antiproton Spectrum

•  BESS-Polar II and PAMELA spectra agree in shape but differ ~14% in absolute flux

•  Both agree in shape with secondary calculations

Model Calculation

A. Yamamoto, 16/10/11 38

Secondary models

n  Comparison with theoretical calculations n  Slight difference

between models n  Propagation (SLB,

Diffusion) n  Solar modulation (FF,

Drift model) n  Interaction (Tertiary)

n  Good consistency n  within 20%

A. Yamamoto, 16/10/11 39

Spectral shape analysis n To see the relative spectral variations, calculated energy specra are normalized at the peak.

n  Model w/o low energy enhancement (1,2,5) were favored.

ID Model χ2

1 Mitsui 0.57

2 Bieber 0.56

3 Bergstrom 1.24

4 Donato 1.59

5 Galprop(PD) 0.63

A. Yamamoto, 16/10/11 40

Constraints on PBH

n  Evaluation for evaporation rate of PBH (R). n  observation (Polar II or

BESS95+97) n  subtracted by Secondary

(Mitsui) n  Evaporation rate which

could explain antiproton flux in BESS’95+’97 was not observed. n  Excluded by > 9σ n  Upper limit

n  1.2 x 10-3/pc3/yr (90% C.L.)

Published in PRL 108, 051102 (2012)!

A. Yamamoto, 16/10/11 41

Antihelium Search""

accumulated in BESS ~ BESS-Polar "1993 ~ 2008

Published in PRL 108, 131301 (2012)!

A. Yamamoto, 16/10/11 42

Identify (Anti)helium n  Clear event signiture

n  |Z| = 2 (Charge) n  dE/dX by Upper and Lower TOF

n  PID with 1/βn  Separation positive/negative

n  Curvature (Rigidity) measured by Tracker

n  Spillover from positive into negative R is unavoidable due to finite resolution of Tracking system.

n  Careful calibration is essential.

TOF-βselec+on

|Z|=2selec+onUpperTOF

|Z|=2selec+onLowerTOF

43

1/Rigidity for Helium (z=2)

n  No antihelium candidate was observed, n  (1< R < 14 GV)

n  Among 4 x 107 Helium events after offline selection.

No Antiheium Candidate

A. Yamamoto, 16/10/11 44

Published in PRL 108, 131301 (2012)!

n  New limit on He/He ratio (95% C.L., 1<R<14)

n  BESS-Polar II only

n He/He < 9.4 x 10-8 n  All BESS data

n He/He < 6.9 x 10-8

He/He Limit

survival probability in the redisual air for He (He)

Single track efficiency for He (He)

Selection efficiency for He (He)

3 orders of magnitude !improvement!

Before BESS!

A. Yamamoto, 16/10/11 45

Kinetic Energy (GeV/n)1−10 1 10 210 310

)1.

7(G

eV/n

)-1 s

-1sr

-2 (m

k2.7

E×Fl

ux

1

10

210

310

410

BESS-Polar II (07)BESS-Polar I (04)BESS98BESS-TeV (02)AMS-01 (98)ATIC-2 (02)PAMELA (06-09)AMS-02 (11-13)

Proton

Helium

Proton & Helium fluxes x E2.7

Consistency at High energy

•  Proton spectra measured Polar I and Polar II are essentially identical. Difference is less than 1% at 160 GeV.

•  The same is true of

the helium spectra.

Solar Modulation • Antiprotons and protons differ only

in charge-sign

• Simultaneous measurements of proton and antiproton spectra provide a powerful test of models of charge-dependent Solar modulation of cosmic-rays (protons are most sensitive)

Antiproton/proton ratio and Solar cycle

•  K. Sakai PhD Dissertation shown for BESS-Polar II •  Final analysis in progress

Antideuteron Search

•  Secondary Dbar probability is negligible at low energies due to kinematics

•  Any observed Dbar almost certainly has a primary origin!

•  Dbar 95% upper limit (first reported) 1.92 x 10-4 (m2 s sr GeV/n)-1

Progress in Antiproton Measurement �

A. Yamamoto, 16/10/11 49

ASTROMAGproposed in 1985�

BESS Resultspublished in 2012�

Progress in Anti-matter Search �

A. Yamamoto, 16/10/11 50

ASTROMAGproposed in 1985�

BESS Resultspublished in 2012�

Before BESS!

51

まとめ�（1）�n  ビッグバン宇宙の痕跡を探る

n  宇宙線反粒子をプローブとしてミニブラックホールの痕跡を探る。n  反物質の探索を通して、物質／反物質の非対称性を探る。

n  宇宙線反粒子（反陽子）の探索n  超伝導スペクトロメータにより高感度を実現n  質量同定を確実に行い、反陽子のスペクトルを観測n  宇宙線反陽子の多くは衝突起源（二次的な粒子）

n  低エネルギー領域に、宇宙（一次）起源反陽子の可能性? (BESS-95-97)�

n  南極周回長時間観測により高統計精度で反陽子、反物質探索n  太陽活動の極小期(2007~8) に観測を実験。

n  反陽子 (~ 104の観測) は二次起源と整合�à�ミニブラックホールの痕跡は観測されず

n  宇宙反物質の探索：�上限比 10-8 に迫る探索（探索感度を3桁深める）

まとめ (2/2)�

n  宇宙を探る先端技術：超伝導n 加速器科学、粒子物理学、宇宙物理（エネル

ギーフロンティア）を支える先端技術n  “�先端技術”への取り組みが�“科学“�の進歩を切

り拓く

n 技術を磨き、自然科学への憧れをもとう

52 A. Yamamoto, 16/10/11

感�謝�

n  この実験遂行にあたり、お世話になったすべての皆様に感謝いたします。n  BESS 実験は、折戸東大教授（故人）の構想・ご指導によって実現しま

した。そして、多くの若手研究者（大学院生）によって推進されました。

n  BESS 実験への、NASA, NSBF, JAXA-ISAS, KEK からのご指導、強いご支援に、深く感謝いたします。

n  この研究は、文科省・科学研究費：特別推進研究、基盤研究S（他）によって推進されました。ご支援に深く感謝いたします。

n  本日、九州大学での講演の機会を与えていただきましたことに、深く感謝いたします。

A. Yamamoto, 16/10/11 53

A. Yamamoto, 16/10/11 54

55

56

荷電粒子を観測する�

n  磁場中で軌跡を振り分ける

n  電荷（数）を識別する

n  速度を計り、質量を決定

ローレンツ力と遠心力のバランス F = v x B = mv2/r運動量、極性を測る P= m x v ∝ r x B��

x

y

z

dE/dx ∝ Z2

正負の荷電粒子を左右に振り分ける�

m = p/v = p/cβγ

m 2 = R2e2Z 2 β−2 −1( )

57

宇宙線反粒子�の探索を通して探る初期宇宙�

反物質

観測されれば、反物質銀河を示唆

物質・反物質の非対称性は未解決の謎。

反陽子は微量ながら観測

反陽子：�p/p ~ 10 - 5

陽子と星間ガスの衝突による

初期宇宙を起源とする反陽子？

ダークマターの対消滅

ミニ（原子）ブラックホールの蒸発�BH表面での粒子・反粒子の対生成� p

p

pp

p

p

反銀河�

宇宙線衝突を起源とした二次的な反陽子がほとんど。しかし 低エネルギーでは、ミニBHを起源とする反陽子が見つかるかもしれない。 反陽子の観測を通して初期宇宙の素粒子像を探る！

pp

pp

p

p

宇宙線の星間物質 との衝突から

ミニブラックホール の蒸発から

銀河 地球

反粒子 粒子

宇宙線反陽子の起源�

A. Yamamoto, 16/10/11 58

PBH�

Secondary�

59

反粒子、反物質は消滅？�

n  物質／反物質対称性の破れ？��ビッグバン宇宙において

n  温度が下が り重粒子が崩壊して�粒子と反粒子が生成。その時、

n  バランスが僅かに崩れる

粒子：�108+1反粒子：108

粒子／反粒子が出会うと対消滅

→�粒子のみが残る�

サハロフ、吉村�

全体としては対象？反粒子(物質)が遥か彼方に存在すれば反物質が伝播してくる

反物質が見つかれば、反銀河の存在を示す直接的な証拠！�

銀河�

反銀河�