[論文レビュー] Search for Antimatter in Space with the Alpha Magnetic Spectrometer

R. Battiston|arXiv (Cornell University)|Jul 12, 1999

Astro and Planetary Science被引用数 2

ひとこと要約

本論文は、STS-91でのAMS予備飛行から得られた最初の結果を提示している。この飛行では、宇宙線反物質核の探索を目的として、宇宙空間に設置された磁気分光器が使用された。1億件を超える宇宙線イベントを検出したが、ヘリウム-4 より重い反物質核は観測されず、1.6–20 GVの剛性範囲において反ヘリウム/ヘリウム流量比のモデルに依存しない上限が <1.7×10⁻⁶ となった。これは、以前の高圧気球実験の上限を著しく改善した。

ABSTRACT

The Alpha Magnetic Spectrometer (AMS) is a state of the art particle physics experiment for the extraterrestrial study of antimatter, matter and missing matter. AMS successfully completed the precursor STS91 Discovery flight (June 2nd-12th, 1998), completing 152 orbits at 52 degrees of latitude and about 400 km of height, collecting more than 100 million CR events. In this paper we report on the first flight experience and we present preliminary results on the search for nuclear antimatter. No antimatter nuclei with Z&gt;=2 were detected. We obtain a model dependent upper limit on the anti-He /He flux &lt;1.14 10^^-6 In the rigidity region between 1.6 to 20 GV we obtain a model independent, conservative upper limit on anti-He /He flux &lt;1.7 10^^-6 and &lt;2.8 10^^-5 for Z&gt;2, improving the results of previous published searches performed with stratospheric balloons.

研究の動機と目的

• 宇宙線反物質核、特にヘリウム-4 やそれ以上の重い核を、宇宙空間で探索すること。
• 初期の反物質を検出することで、宇宙における大規模な物質-反物質非対称性の仮説を検証すること。
• 高精度な宇宙空間磁気分光器を用いて、反物質流量にきびしい上限を設定すること。
• 国際宇宙ステーション（ISS）への設置に先立ち、AMS検出器システムの性能を検証すること。
• 反物質検出における感度および剛性カバー範囲を、以前の高圧気球実験を上回ること。

提案手法

• 永久磁石（Nd-Fe-B）を用いて荷電粒子の軌道を曲げ、運動量および電荷の符号を測定した。
• 6層のシリコントラッカーを用いて、高い空間分解能と低材料バジェット（3.2% X₀）で粒子軌道の湾曲を測定した。
• 時間飛行（ToF）シンチレーション平面を用いて、約1.4 mの経路長で約105 psの分解能で粒子速度（β）を測定した。
• 屈折率n=1.035のエアゲル・チェレンコフ検出器を用いて、粒子速度および質量を特定し、粒子種別を識別した。
• χ²および尤度に基づく選別カットを適用し、背景からのヘリウムおよびそれ以上の重い核を区別した。効率補正にはモンテカルロシミュレーション（GEANT）を用いた。
• トリガー、バイアス、吸収断面積の違いを考慮し、剛性依存の効率補正と95%信頼水準の統計的上限を用いて流量比を計算した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 宇宙線におけるヘリウム-4 と反ヘリウム-4 の流量比の上限は何か？
• RQ2 宇宙空間に設置された磁気分光器は、以前の高圧気球実験に比べて、宇宙線反物質核をより高い感度で検出できるか？
• RQ3 剛性範囲1.6–20 GVにおける反ヘリウム/ヘリウム流量比のモデルに依存しない上限は何か？
• RQ4 AMS予備飛行の性能は、将来のISS運用における期待値と比較してどうか？
• RQ5 反物質の検出が行われなかったことから、物質-反物質非対称性や分離領域を含む宇宙論的モデルにどのような制約が与えられるか？

主な発見

• 152周の地球周回中に収集された1億件を超える宇宙線イベントにおいて、反ヘリウム-4 やそれ以上の重い反物質核は検出されなかった。
• 同じ剛性スペクトルを仮定した場合、反ヘリウム-4 とヘリウム-4 の流量比に対して <1.14×10⁻⁶ のモデル依存型上限が得られた。
• 1.6–20 GVの剛性範囲において、反ヘリウム-4/ヘリウム-4 の流量比に対して、モデルに依存しない保守的上限 <1.7×10⁻⁶ が確立された。
• Z > 2 の核に対しては、モデルに依存しない流量比の上限が <2.8×10⁻⁵ であり、これは以前の高圧気球実験比で約5倍の改善であった。
• AMS予備飛行は、わずか4日間の深宇宙露出でのみ、きびしい上限を達成でき、この装置の高い受容性と感度を示した。
• 結果は、特に剛性カバー範囲と統計的有意性において、BESS高圧気球実験の最高の既存上限を上回った。