[論文レビュー] Precision measurement of the (e$^+$ + e$^-$) flux in primary cosmic rays from 0.5 GeV to 1 TeV with the Alpha Magnetic Spectrometer on the International Space Station

M. Vecchi|arXiv (Cornell University)|Jan 9, 2017

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 12

ひとこと要約

本論文は、国際宇宙ステーションにおけるアームストロング磁気分光計（AMS-02）を用いて、0.5 GeV から 1 TeV のエネルギー範囲で、一次宇宙線中の電子および陽電子の合成フラックスを高精度で測定した。フラックスは滑らかで、30.2 GeV 以上のエネルギー領域では、スペクトル指数が $\gamma = -3.170 \pm 0.008$ の単一のべき乗則でよく記述されており、1 TeV までのエネルギー領域で顕著な構造や偏差は認められない。

ABSTRACT

We present a precise measurement of the combined electron plus positron flux from 0.5 GeV to 1 TeV, based on the analysis of the data collected by the Alpha Magnetic Spectrometer during the first 30 months of operations aboard the International Space Station. The statistics and the high resolution of AMS-02 detector provide a precise measurement of the flux. The flux is smooth and reveals new and distinct information. Above 30.2 GeV, the combined electron plus positron flux can be described accurately by a single power law.

研究の動機と目的

• 広いエネルギー範囲にわたり、一次宇宙線電子および陽電子の合成フラックスを高精度で測定すること。
• 30 GeV 以上のエネルギー領域で、フラックスにスペクトル的構造やべき乗則からの逸脱が認められるかどうかを特定すること。
• AMS-02検出器の高い統計量と低バックグラウンド特性を活用して、エネルギー分解能とフラックス測定の統計的精度を向上させること。
• 飛行データとテストビーム補正を用いて、絶対的エネルギースケールと選別効率を検証すること。
• エネルギー依存性をモデルに依存しない形で特徴づけること。

提案手法

• 41 × 10⁹ 個の宇宙線イベントが、国際宇宙ステーション上でのAMS-02運用30か月間にわたり収集された。
• 有効な受容領域と露出時間は、検出器の幾何構造、シミュレーションによる選別効率、および純粋な電子データサンプルによる検証を用いて計算された。
• 陽子やバックグラウンドを除外するために、トラッカー運動量、ECALエネルギー損失、TRD遷移放射、TOF時間測定を組み合わせて信号イベントを特定した。
• 各エネルギー領域で、テンプレートフィット手順を適用して信号およびバックグラウンドのカウントを推定し、エネルギー分解能の2倍以上を保証するようにビン幅を設定した。
• スペクトル指数は、$\Phi(e^+ + e^-) = C E^\gamma$ に対してスライディングエネルギー窓フィットを用いて決定され、統計的誤差、系統的誤差、エネルギースケールの影響を含めた不確実性が伝搬された。
• 最小イオン化粒子とE/pマッチングを用いてエネルギースケール補正を検証した。10–290 GeVの範囲では2%の不確実性、0.5 GeVおよび1 TeVでは5%の不確実性を示した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 30 GeV 以上のエネルギー領域で、電子および陽電子の合成フラックスにスペクトル的構造やべき乗則からの逸脱が認められるか？
• RQ2 0.5 GeV から 1 TeV の範囲で、合成e⁺+e⁻フラックスの正確なエネルギー依存性は何か？
• RQ3 フラックスのスペクトル指数はエネルギー範囲全体でどのように変化するか？また、単一のべき乗則と整合的か？
• RQ4 過去の測定で観測された陽電子過剰は、合成フラックスの挙動にどの程度の影響を及ぼすか？
• RQ5 エネルギースケールの不確実性がフラックス測定およびスペクトル指数の決定に与える影響はどの程度か？

主な発見

• 0.5 GeV から 1 TeV の範囲で、合成(e⁺ + e⁻)フラックスは滑らかで、顕著なスペクトル的構造や特徴は認められない。
• 30.2 GeV 以上の領域では、フラックスはスペクトル指数 $\gamma = -3.170 \pm 0.008$（統計+syst）± 0.008（エネルギースケール）の単一のべき乗則でよく記述される。
• 140 GeV 以上では統計的誤差が支配的となり、ビン間移行誤差は1%未満で、10 GeV 以上では0.2%に減少する。
• エネルギースケールの不確実性は10–290 GeVの範囲で2%、0.5 GeVおよび1 TeVでは5%であり、これはビン境界での系統的誤差として扱われた。
• 選別が電荷に依存しないため、個々の電子または陽電子フラックス測定よりも高い選別効率を達成し、1 TeVまで測定範囲を拡張した。
• フラックスは $E^3$ でスケーリングされ、30.2 GeV 以上でべき乗則フィットから逸脱は認められず、測定範囲全体で一貫したエネルギー依存性が確認された。