[論文レビュー] Search for Fractional Charges in Cosmic Rays with Ams

C. Sbarra, D. Casadei+4 more|arXiv (Cornell University)|Apr 10, 2003

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、STS-91ミッションに搭載されたAMS-01実験のデータを用いて、一次宇宙線に含まれる分数電荷粒子（特に2/3e）の探索を行った。飛行時間（TOF）シンチレーションカウンタでのエネルギー損失を分析し、高速トリガ効率モデルを適用することで、このような粒子のフラックスに対する95%信頼水準の上限を3.0×10⁻⁷ cm⁻²s⁻¹sr⁻¹と設定した。これは、標準模型を超える未知の素粒子理論に対する厳密な制約を提供する。

ABSTRACT

Preliminary results on the flux of non strongly-interacting, fractionally charged particles in primary cosmic rays at 400 Km above sea level are given. Cosmic ray data collected by AMS-01 in June 1998 have been analysed on the hypotheses of 2/3 charged leptons. The search is carried on by looking at the energy deposition measurements by the time of flight system scintillator counters. A preliminary flux limit is given.

研究の動機と目的

• 標準模型を超える物理学の探査として、宇宙線に存在する強い相互作用を示さない分数電荷粒子（特に2/3eのレプトン）の探索を目的とする。
• このような粒子が、AMS-01飛行時間（TOF）システムにおけるエネルギー損失として検出可能な弱いイオン化信号を生成する可能性を検証することを目的とする。
• 1998年のSTS-91ミッションから得られた、事前にスケーリングされたTOFトリガイベントを分析することで、2/3e粒子のフラックス上限を確立することを目的とする。
• 低イオン化粒子に対する高速トリガ効率を評価し、電荷の二乗に比例するスケーリングを施したプロトンに類似したエネルギー損失分布と比較することを目的とする。

提案手法

• AMS-01 TOFシンチレーションカウンタを用いて、120 psの時間分解能を持つ4つの平面でエネルギー損失（dE/dx）を測定した。
• 2/3e粒子の期待エネルギー損失を、電荷の二乗に比例するプロトンのランドウ分布のスケーリング版としてモデル化した。
• 非トリガされた平面の記録データを用いて、各TOF平面の高速トリガ（FT）効率を「スペンサー平面」法で計算した。
• 個々の平面効率の組み合わせ和を用いて、4つの平面のうち3つの組み合わせにおける総合的なFT効率を計算した。
• 公式AMS-01プロトン解析で用いられる標準的なカットを適用した：南大西洋異常領域のデータ除外、1平面あたり1クラスタ、トラック品質カット。
• 信号イベントが観測されなかった（n=0）場合の95%信頼水準における信号フラックスの上限を、ベイズ統計を用いて設定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2/3e電荷粒子が自由で弱い相互作用を示すレプトンとして存在すると仮定した場合、一次宇宙線中のフラックスに対する上限は何か？
• RQ2 AMS-01 TOFシステムの高速トリガ効率は、プロトンと比較して分数電荷を持つ粒子に対してどのように変化するか？
• RQ3 TOFシステムにおけるエネルギー損失パターンは、低イオン化レベルにおいて2/3e粒子とプロトンバックグラウンドを区別できるか？
• RQ4 検出しきい値とエネルギー分解能を考慮した場合、AMS-01 TOFシステムの2/3e電荷（Q = 2/3e）の弱いイオン化粒子に対する感度は何か？
• RQ5 0.7 MIP未満の観測データ分布は、期待されるバックグラウンド分布および信号分布とどのように一致するか？

主な発見

• AMS-01 TOFシステムにおける2/3e粒子の高速トリガ効率は、個々の平面効率（0.43、0.71、0.68、0.47）をもとに計算され、ε_FT,2/3e = 0.18 となった。
• 2/3e粒子のエネルギー損失分布は、プロトンのランドウ分布を電荷の二乗に比例してスケーリングしたモデルとして表現され、0.7 MIPでプロトンバックグラウンドと明確に分離された。
• 3つ以上のTOF平面で同時に低エネルギー損失を示す候補イベントは観測されず、バックグラウンドを超える顕著な信号は認められなかった。
• 36,436秒の観測時間に基づき、2/3e粒子のフラックスに対する95%信頼水準の上限は3.0×10⁻⁷ cm⁻²s⁻¹sr⁻¹と設定された。
• 解析結果から、AMS-01の全データセットを用いることでこの上限を10倍改善可能であり、国際宇宙ステーションに搭載されたAMS-02を用いればさらに100倍の改善が可能であると示唆された。