[論文レビュー] Primary Cosmic Ray Proton Flux Measured by AMS-02

C. Consolandi|arXiv (Cornell University)|Feb 3, 2014

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 2被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、国際宇宙ステーション上に搭載されたAMS-02実験を用いて、2011年から2013年までの2年間のデータを用いて、初の一次宇宙線陽子線束の正確な測定を報告する。100 GeVを超えるエネルギー領域では、微細構造のない単一のべき乗則スペクトルが観測された一方、太陽活動に起因する太陽の調整効果およびフォーブッシュ低下が、低剛性領域で観測された。

ABSTRACT

The Alpha Magnetic Spectrometer (AMS-02) is a high energy particle detector designed to study origin and nature of cosmic rays up to a few TV from space. It was installed on the International Space Station (ISS) on May 19, 2011. During the first two years of operation AMS-02 performed precise measurements of the proton flux. In the low rigidity range, from 1 GV to 20 GV, the proton flux was daily measured with a statistical error less than 1%. In the same rigidity range a gradual decrease due to Solar modulation effect and transit variations due to Solar Flares and Coronal Mass Ejection were also observed. In the rigidity range from 20 GV up to 100 GV instead, AMS-02 data show no drastic variation and the results are consistent with other experiments. Above 100 GV, AMS-02 proton flux exhibits a single power low behavior with no fine structures nor brakes.

研究の動機と目的

• 1–100 GVの剛性範囲における一次宇宙線陽子の絶対線束およびスペクトル形状を正確に測定すること。
• 太陽の調整効果および一時的な太陽イベント（例：フレア、コロナルームエジェクション）が低剛性領域の陽子線束に与える影響を調査すること。
• 100 GeVを超える領域における陽子線束を特定し、高エネルギー領域におけるスペクトルの折り返し点や微細構造の有無を検証すること。
• 厳密なイベント選別およびアンフォールディング手順を通じて、AMS-02検出器の性能と系統的不確実性を検証すること。

提案手法

• AMS-02は、国際宇宙ステーション上に搭載された磁気分光計であり、永久磁石、シリコントラッカー、および飛行時間系を備えており、粒子の剛性と電荷を測定する。
• 全軌跡再構成（層1および層9）、下降方向の粒子と一致する速度、およびトラッカー内でのエネルギー損失による電荷識別に基づいてイベントを選別する。
• 線束は、露出時間、有効な受容断面積、トリガ効率（ε_trg.）およびトラック再構成効率（ε_trk.）を用いて正規化され、系統的不確実性は3.1%で推定された。
• 解像度に起因する移行を補正するため、ベイズアンフォールディング手順が用いられ、解像度行列の二ガウス分布パラメータ化が行われた。
• 系統的不確実性は、解像度パラメータ（σの±10%変更）およびアライメントシフト（最大1/20 TV⁻¹まで）を変更することで評価された。
• 最終的な線束は、アンフォールド処理および正規化されたイベント数を剛性ビンごとに得たものであり、エネルギー範囲全域で統計的不確実性が1%未満であった。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1 GVから100 GVの剛性範囲における一次宇宙線陽子線束の剛性依存性は何か？ その主要な調整要因は何か？
• RQ2 100 GeVを超える領域における陽子スペクトルに、スペクトルの折り返し点、微細構造、または単一のべき乗則からの逸脱が見られるか？
• RQ3 フレアやコロナルームエジェクションを含む太陽活動が、AMS-02が観測した低剛性陽子線束に与える影響は何か？
• RQ4 検出器効率および解像度補正が、剛性スペクトル全域における真の陽子線束の再構成にどの程度正確に適用できるか？

主な発見

• 1 GVから20 GVの剛性範囲において、2年間のデータを用いて統計的不確実性が1%未満の陽子線束が測定された。
• 太陽の調整により、約10 GV未満の領域で線束が徐々に減少したことが観測された。特に、2012年3月7日のX5.4フレアに続く大きな太陽イベントに伴い、顕著なフォーブッシュ低下が観測された。
• 2012年3月7日の太陽イベントは、約3週間の期間にわたりフォーブッシュ低下を引き起こし、最大で30 GVの線束低下を示した。これは太陽活動24周期で観測された最も強いイベントであった。
• 2012年5月17日のM5.1フレアは、太陽活動24周期で最初の地上レベル増幅（GLE）を引き起こし、線束に急激なスパイクとして観測された。
• 100 GVを超える領域では、微細構造や折り返し点のない単一のべき乗則スペクトルに従うことが確認された。これは、研究されたエネルギー範囲に追加のスペクトル的特徴がないことを示している。
• 線束の総合系統的不確実性は、100 GV未満で3.2%、1 TVで6.3%であり、主に受容断面積の不確実性（2.8%）が支配的であった。