[論文レビュー] First Results from the PAMELA Space Mission

M. Boezio, V. Bonvicini+54 more|ArXiv.org|Oct 20, 2008

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 2被引用数 7

ひとこと要約

PAMELAは、宇宙空間に設置された磁気分光器を用いて、1–10 GeVエネルギー範囲で高精度に反陽子対陽子フラックス比を測定した。トラック品質および偏光基準を厳密に適用することで、優れたバックグラウンド抑制を達成した。結果は二次生成モデルと良好に一致し、ダークマターの消失による異常な源を制限した。

ABSTRACT

On the 15th of June 2006, the PAMELA satellite-borne experiment was launched from the Baikonur cosmodrome and it has been collecting data since July 2006. The apparatus comprises a time-of-flight system, a silicon-microstrip magnetic spectrometer, a silicon-tungsten electromagnetic calorimeter, an anticoincidence system, a shower tail counter scintillator and a neutron detector. The combination of these devices allows precision studies of the charged cosmic radiation to be conducted over a wide energy range (100 MeV - 100's GeV) with high statistics. The primary scientific goal is the measurement of the antiproton and positron energy spectrum in order to search for exotic sources, such as dark matter particle annihilations. PAMELA is also searching for primordial antinuclei (anti-helium), and testing cosmic-ray propagation models through precise measurements of the antiparticle energy spectrum and precision studies of light nuclei and their isotopes. We review the status of the apparatus and present preliminary results concerning antiparticle measurements and dark-matter indirect searches.

研究の動機と目的

• 高精度な宇宙線における反陽子および陽電子のエネルギースペクトル測定を通じて、ダークマターの痕跡を探索すること。
• 正確な反粒子スペクトルおよび軽い原子核同位体の測定を通じて、宇宙線伝搬モデルを検証すること。
• 原始的反核子（例：ヘリウムの反核）の探索を通じて、異常な天体物理学的プロセスの証拠を求める。
• 高度な粒子識別技術を用いて、パイオニウムおよび漏れ出た陽子によるバックグラウンドを低減すること。
• 二次反粒子生成およびダークマターのような異常な源に関する理論的モデルに対するきつい制約を与えること。

提案手法

• 粒子の電荷、運動量、エネルギーを測定するために、タイムオブフライト（ToF）システム、シリコン・マイクロストリップ磁気分光器、シリコン・タングステン電磁遮蔽器を用いた。
• スプライルアウト陽子バックグラウンドの抑制および反陽子識別を向上させるために、厳密なトラック品質および偏光基準（10×誤差閾値）を適用した。
• 遮蔽器のシャワー構造およびToFシステムからの速度測定を用いて、電子およびパイオニウムと反陽子を分離した。
• 運動量依存の相互作用断面積を考慮し、シミュレーションおよび飛行中の陽子データを用いて陽子および反陽子選別効率を補正した。
• パイオニウム生成をGHEISHAおよびFLUKAジェネレータを用いてモデル化し、1 GV未満の飛行データと比較してパイオニウム汚染を正規化した。
• S1/S2におけるACシンチレーターおよびエネルギー損失基準を適用して、ペイロード構造からの局所的パイオニウム生成を除外した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1–10 GeVエネルギー範囲における正確な反陽子対陽子フラックス比は何か？ また、これは二次生成モデルとどのように比較されるか？
• RQ2 PAMELAは、スプライルアウト陽子およびパイオニウムのバックグラウンドをどの程度抑制でき、反陽子信号を分離できるか？
• RQ3 測定された反陽子スペクトルは、ダークマター粒子の消失のような異常な源を制約できるか？
• RQ4 1 GV未満におけるパイオニウム汚染推定値の正確さはどの程度で、反陽子測定にどのような影響を与えるか？
• RQ5 反陽子フラックス比は、滑らかな二次生成挙動から逸脱しており、新物理の兆候を示す可能性はあるか？

主な発見

• PAMELAが測定した反陽子対陽子フラックス比は、約10 GeVまで滑らかに増加し、その後は飽和する傾向を示し、二次生成モデルと整合的である。
• PAMELAのデータは、他の実験による最新の測定と良好に一致しており、統計的不確実性が系統的誤差を上回っている。
• 2 GVを超える領域では反陽子サンプルにおけるパイオニウム汚染が5％未満であり、5 GVを超えると1％未満に低下しており、シミュレーションおよび飛行データの両方で裏付けられた。
• 4～8 GVの飛行データを用いたパイオニウム残余汚染のクロスチェックにより、シミュレーションの正規化係数が確認された。
• 反陽子フラックス測定は、二次生成計算および異常な源に対するきつい制約を与えるのに十分な精度であった。
• 低エネルギー反陽子（100 MeVまで）の分析は進行中であり、陽電子信号の分析も進行中で、2008年末までに論文が発表される見込みである。