宇宙線エネルギーと質量実験

宇宙線エネルギーと質量( CREAM ) は、宇宙線スペクトル内の10 ¹⁵ eV (「ニープロスペクト」とも呼ばれる)までの宇宙線の構成を決定する実験です。

宇宙線スペクトルの膝状分布は、フェルミ加速に従って超新星が粒子を加速できる理論上の最大エネルギーによって説明できるという仮説が立てられている。測定は、高高度気球の助けを借りて少なくとも 34 km (21 マイル) の高度に送られたタイミングベースの電荷検出器と遷移放射線検出器を使用して行われる。

南極のマクマード基地から打ち上げられた後、気球は60～100日間空中に留まり、検出器に当たる妨害されない宇宙線の電荷とエネルギーに関するデータを収集します。

この種の実験の利点の 1 つは、地上の検出器で検出された空気シャワーの原因となった元の粒子を特定できることです。検出可能な最大エネルギー レベルは、飛行時間と検出器のサイズによって決まります。このタイプの実験では、この障壁を克服するのは困難です。10 15 eV の「膝」より上で検出された宇宙線の起源を理解するには、宇宙線の構成を正確に測定する必要があります^。現在までに、CREAM 気球実験は合計 161 日間の曝露を蓄積しており、これは他のどの単一の気球実験よりも長いものです。^{[1] [2]}

• 「膝」は超新星による最大加速度によって説明できますか?
• 宇宙線の組成は時間とともに変化しましたか?
• 宇宙線の生成には複数のメカニズムが関与しているのでしょうか?

これらの疑問に答えるためには、10 ¹²～ 10 ¹⁵ eV 領域の宇宙線を調べることが特に重要です。これは、いくつかの理論が、この領域のすぐ下で元素組成が変化すると予測しているためです。宇宙線の元素スペクトルを決定するために、CREAM はシリコン電荷検出器、タイミング電荷検出器、シンチレーティング ファイバーホドスコープを使用して、鉄 (Z = 26) までの入射粒子の電荷を検出します。エネルギーは、遷移放射線検出器(TRD) とイオン化カロリメータで測定します。すべての検出器が互いに近接しているため、カロリメータで生成されたシャワーと電荷測定機器との相互作用を最小限に抑えることが主な懸念事項です。この影響を抑えるために、CREAM は、より小さな面積で多数のピクセルを使用するとともに、非常に高速な読み出し時間を使用して、一次粒子によって引き起こされるイベントとカロリメータからの後方散乱によって引き起こされるイベントを区別します。

TRD の密度が比較的低いため、検出器のジオメトリを大きくして、より低いフラックスの粒子を検出することができます。ローレンツ因子 γを測定し、粒子の電荷に関する知識と組み合わせることで、電荷 ±1 のさまざまな宇宙線 (電子、パイ中間子、ミューオンなど) で検出器を較正することができます。南極付近の宇宙線の地磁気カットオフエネルギーは比較的低いため、これらの低エネルギー粒子の拒否反応として、TRD のモジュール間にチェレンコフ検出器が配置されています。[ ^3]

電源については、システムにはエネルギー貯蔵用のバッテリーと、100 日間ミッションを持続できる定格の太陽電池アレイが含まれています。全体として、この機器は、エネルギー効率の高い電子機器を慎重に選択したおかげで、28 ボルト電源からわずか 380 ワットしか消費しないと予想されています。真空に近い状態では、100 ボルトという低電圧で動作するシールドされていない電子機器間のコロナ放電に対して、十分な予防措置を講じる必要があります。これは、関連するすべての電子機器を石膏などの軽量の誘電体化合物で覆うことで軽減されます。

南極大陸の高アルベドにより気温が非常に高くなる一方、暗闇の期間には気温が非常に低くなるため、この機器は広範囲の温度で動作できなければなりません。

目的の高度に到達するには、バラストを除いて、機器の総重量が 5,500 ポンド (2,500 kg) を超えてはなりません。回収は、十分な露出時間後に機器を気球から切り離すことによって行われ、パラシュートが開いて機器の降下速度がいくらか遅くなります。実験はコロンビア科学気球施設の構造要件を満たすように設計されていますが、機器の交換可能な部品に何らかの損傷が発生することは避けられません。主な優先事項はデータの回収であり、この時点では他のすべてのシステムは二次的なものと見なされます。

「アイスクリーム」と発音されるISS-CREAMは、2017年8月14日にCRS-12ミッションで国際宇宙ステーションに送られたCREAM気球実験の次世代バージョンであり、ステーションに恒久的に設置される予定です。以前の気球飛行の10倍の高度410kmに位置するISS-CREAMは、3年間のミッション中にほぼノンストップでデータを収集することができます。高度が非常に高いため、検出器に到達する前に入射粒子が散乱する大気がありません。このISSベースのミッションでは、CREAM気球実験よりも桁違いに多くのデータを収集すると予想されていました。^[12]

プロジェクト管理上の問題を受けて、ISS-CREAMは2019年2月に停止されました。^[13]

CREAM 実験は現在NASAによって資金提供されています。

現在のCREAMコラボレーションチームには、

• 宇宙線システム（ボイジャー号の宇宙線実験）

ウィキメディア・コモンズには、宇宙線エネルギーと質量実験に関連するメディアがあります。

• 公式サイト
• タンブラーの宇宙線エネルギーと質量実験の写真