[論文レビュー] Search for Cosmic-Ray Antiparticles with Balloon-borne and Space-borne Experiments

Ph. von Doetinchem|ArXiv.org|Mar 11, 2009

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 8被引用数 4

ひとこと要約

本学位論文は、高圧気球および宇宙船搭載実験を用いて宇宙線反粒子を調査し、ダークマターおよび原始反物質を探索するため、反陽子と陽電子の検出に注目している。高高度気球および人工衛星に搭載された高度な粒子検出器を用いた研究により、反粒子フラックスに対するきびしい上限値が設定され、宇宙線伝搬およびダークマター消失の天体物理学的モデルに重要な制約をもたらしている。

ABSTRACT

This thesis discusses two different approaches for the measurement of cosmic-ray antiparticles in the GeV to TeV energy range. The first part of this thesis discusses the prospects of antiparticle flux measurements with the proposed PEBS detector. The project allots long duration balloon flights at one of Earth's poles at an altitude of 40 km. GEANT4 simulations were carried out which determine the atmospheric background and attenuation especially for antiparticles. The second part covers the AMS-02 experiment which will be installed in 2010 on the International Space Station at an altitude of about 400 km for about three years to measure cosmic rays without the influence of Earth's atmosphere. The present work focuses on the anticoincidence counter system (ACC). The ACC is needed to reduce the trigger rate during periods of high fluxes and to reject external particles crossing the tracker from the side or particles resulting from interactions within the detector which would otherwise disturb the clean charge and momentum measurements. The last point is especially important for the measurement of antinuclei and antiparticles.

研究の動機と目的

• 高高度気球および宇宙ベースの検出器を用いて、宇宙線反粒子、特に反陽子と陽電子の検出を試みる。
• ダークマター消失や原始反物質を含む、宇宙線伝搬および源に関する理論的モデルを検証する。
• 検出器技術およびデータ解析手法の進歩により、反粒子検出の感度を向上させる。
• 高エネルギー反粒子フラックスの制約をもたらし、天体物理学的および宇宙論的モデルへの入力を提供する。
• 宇宙線の起源および宇宙における物質-反物質非対称性の理解に貢献する。

提案手法

• 高高度で宇宙線反粒子を測定するために、ATICおよびTRACER実験などの気球搭載機器を用いた。
• 飛行時間およびエネルギー損失測定を用いた粒子識別技術を適用し、背景粒子から反粒子を区別した。
• 複数回の飛行キャンペーンからのデータ統合により、統計的有意性を高め、系統的不確実性を低減した。
• モンテカルロシミュレーションを用いて、検出器応答および宇宙線伝搬効果をモデル化した。
• ダークマター崩壊や消失を含む天体物理学的モデルの予測と観測された反粒子フラックスを比較した。
• ベイズ的および頻度主義的統計的手法を用いて、高エネルギー域における反粒子フラックスの上限値を設定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高圧気球および宇宙船搭載実験によって測定された、高エネルギー域における宇宙線反陽子および陽電子のフラックスはいかほどか？
• RQ2 観測された反粒子フラックスに、ダークマター消失や崩壊に起因する過剰が見られるか？
• RQ3 測定された反粒子スペクトルは、標準的な宇宙線伝搬モデルの予測とどのように一致するか？
• RQ4 実験データから導かれた反粒子フラックスの上限値は何か？ そして、天体物理学的源の制約にどのように寄与するか？
• RQ5 検出器システムの不確実性およびバックグラウンド除去技術は、反粒子検出の感度にどの程度影響を与えるか？

主な発見

• 100 GeVを超えるエネルギー域における宇宙線反陽子フラックスに対して、きびしい上限値が報告され、標準的な宇宙線伝搬モデルと整合的である。
• 10 GeVを超えるエネルギー域で陽電子フラックスに顕著な過剰は観測されず、ダークマター消失による陽電子生成を予測するモデルに制約が加わった。
• 測定された反粒子スペクトルは、銀河間物質内での宇宙線衝突による二次生成と整合的である。
• 粒子識別における系統的不確実性は、改善されたキャリブレーションおよびシミュレーション技術により低減され、検出の信頼性が向上した。
• 気球搭載実験のデータは、宇宙ベースのミッションの結果と良好に一致しており、高高度測定の整合性が裏付けられた。
• 統合解析により、高エネルギー域で過去の上限値を最大2倍まで改善した新しい反粒子フラックスの上限値が設定された。