[論文レビュー] Physics Results From Alpha Magnetic Spectrometer 1998 Shuttle Flight

M. Huang|arXiv (Cornell University)|Apr 13, 2001

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、1998年のスペースシャトルミッション中にアルファ磁気スペクトロメーター（AMS）が得た物理学的結果を提示している。約10⁸件のイベントが検出され、剛性1〜140 GV/cの範囲で反物質の上限が1.1×10⁻⁶に測定された。一次宇宙線スペクトルのパワー則指数はγ = 2.78 ± 0.021であり、地球磁気圏の剛性カットオフ以下の大気アルベド粒子が同定された。これらは、それぞれバウンス運動とドリフト運動に関連する、短時間飛行（SFT）および長時間飛行（LFT）の2つの異なる集団から成る。

ABSTRACT

The Alpha Magnetic Spectrometer (AMS) is a particle detector designed to detect antimatter. During the 10-day test flight on the space shuttle in June 1998, AMS detected $10^8$ events. Upon analysis, no antimatter was found and the antimatter limit was reduced to $1.1 imes10^{-6}$. The proton spectrum shows some differences with the cosmic ray flux used in atmospheric neutrino simulation. A large amount of protons, positrons, and electrons were found below the geomagnetic rigidity cutoff. The energy of these particles are as high as several GeV, one order of magnitude higher than any previously measured energy in radiation belts. These particles also exhibit many interesting features. This paper reviews the results in the four published papers of the AMS collaboration and provides explanation for some features of the albedo particles.

研究の動機と目的

• 宇宙線フラックスを測定し、宇宙空間に設置された磁気スペクトロメーターを用いて反物質およびダークマターの兆候を探索すること。
• 特に剛性カットオフ以下の粒子の地球磁気圏内での挙動を研究すること。
• 大気アルベド粒子（大気相互作用によって生成され、宇宙空間へ跳ね返る二次粒子）を同定・特徴づけること。
• 特に磁気的赤道付近で観測された高いe⁺/e⁻比を解明し、放射線帯内の陽電子および電子の起源と分布を調査すること。
• 飛行時間および剛性分布を用いて、磁気圏内における粒子のドリフトおよびバウンス運動のモデルを検証すること。

提案手法

• 1.9トンのネオブジウム鉄ボルト磁石を装備した大容量磁気スペクトロメーターであるAMS-01プロトタイプを用い、粒子の剛性、電荷、軌道を測定した。
• 二重面シリコントラッカー（σy = 20 μm、σx = 33 μm）、飛行時間測定用シンチレーション器（120 ps分解能）、気相コリメータ（aerogel Cherenkov counters）、遮蔽用コインシデンス検出器を含む多層検出器システムを採用した。
• 粒子軌道および剛性を解析するため、x（非曲げ方向）、y（曲げ方向）、z（円筒軸）の座標系を設定した。
• ドリフトおよびバウンスダイナミクスに基づき、飛行時間分布（τd/τb）を用いて粒子を短時間飛行（SFT）および長時間飛行（LFT）の2群に分類した。
• 球面調和関数を用いて地球磁場をモデル化し、非双極的成分とそれらが粒子捕獲および非対称性に与える影響を考慮した。
• 磁気的赤道および経度依存の粒子源分布およびフラックス比（例：e⁺/e⁻）を解析し、東西効果および磁場非対称性を調査した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 剛性1〜140 GV/cの範囲で、宇宙線反物質フラックスの上限は何か、特に反核種について。
• RQ2 AMS-01が測定した一次宇宙線（陽子、ヘリウム、電子、陽電子）のスペクトルは、既存の大気ニュートリノおよび宇宙線モデルとどのように一致するか。
• RQ3 高エネルギー陽子、陽電子、電子がなぜ地球磁気圏の剛性カットオフ以下に検出されるのか。それらを生成するメカニズムは何か。
• RQ4 長時間飛行アルベド粒子の源位置に観察される二峰性分布の原因は何か。それはどのように経度ドリフト運動に関連しているか。
• RQ5 磁気的赤道近くで観測される大きなe⁺/e⁻フラックス比（最大4）を説明するには、東西効果が十分な説明となるか。

主な発見

• 剛性1〜140 GV/cの範囲で反物質の上限は1.1×10⁻⁶に測定され、初期反物質の存在に対して厳しい制約を示した。
• 10〜200 GeVの剛性範囲における一次宇宙線スペクトルは、指数γ = 2.78 ± 0.021のパワー則に従い、正規化定数Φ₀ = 17.1 ± 2.0 GeV⁻²·⁷⁸/(m² s sr MeV)であった。
• 数GeVまでのエネルギーを持つ粒子が剛性カットオフ以下に検出されたことから、大気相互作用に起因する大気アルベド粒子の存在が示された。
• 2つの明確なアルベド粒子集団が同定された：短時間飛行（SFT）粒子はバウンス運動に関連し、経度全域に均等に分布する源を持ち、長時間飛行（LFT）粒子は経度ドリフトに関連し、磁気的赤道の東西に位置する2つの明確な経度に源が集中していた。
• 磁気的赤道近くではe⁺/e⁻フラックス比が最大4に達し、この非対称性は東西効果によって説明された。地球磁場の幾何学的配置により、西側からのフラックスが高くなるため、陽電子の生成が増加した。
• 特に高緯度地域の剛性カットオフ付近の粒子は、不規則な軌道を示し、複数のドリフト周期にわたってドリフトすることができ、カットオフよりはるかに低いエネルギーの粒子とは異なり、源分布が異なることが分かった。