[論文レビュー] The cosmic ray electron and positron spectra measured by AMS-02

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

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、国際宇宙ステーションに搭載されたAMS-02検出器を用いて、2年間で300億件を超えるイベントを分析し、宇宙線電子および陽電子スペクトルの最初の高精度測定を報告する。陽電子分率は約250 GeVまで一貫して増加し、30 GeVを超えるエネルギー領域で陽電子フラックスが上昇しており、電子スペクトルは滑らかでゆっくり減少する傾向を示している。系統的不確かさは現在評価中である。

ABSTRACT

The AMS-02 detector is operating on the International Space Station since May 2011. More than 30 billion events have been collected by the instrument in the first two years of data taking. A precision measurement of the positron fraction and of the positron flux in primary cosmic rays up to 350 GeV, of the electron flux up to 500 GeV and of the combined electron plus positron flux up to 700 GeV are presented. The separate and combined electron and positron fluxes are preliminary and represent work in progress. Systematic uncertainties must still be investigated further.

研究の動機と目的

• AMS-02検出器を低地球軌道で使用し、宇宙線電子および陽電子スペクトルを未曾有の精度で測定すること。
• 350 GeVまでの一級宇宙線における陽電子分率およびフラックスを測定し、500 GeVまで電子フラックスを測定すること。
• 観測された陽電子過剰の起源を、天体物理学的源とヒッグス粒子の消失反応の両者と区別して調査すること。
• 2年間の宇宙空間での運用を通じて、AMS-02検出器の性能と安定性を検証すること。
• 将来の天体物理学的モデル構築および他の実験との比較のため、900万個の電子、680万個の陽電子/電子イベントを含む高統計データセットを提供すること。

提案手法

• AMS-02は、シリコントラッカー、遷移放射線検出器（TRD）、飛行時間（TOF）カウンター、リングイメージング・チェレンコフ検出器（RICH）、電磁カロリメータ（ECAL）、遮断対照カウンター（ACC）からなる多層構造の検出器システムを用いる。
• エネルギー・運動量一致（E/p > 0.75）、ECALにおける3次元シャワー形状、TRDを用いた遷移放射線検出を組み合わせることで、電子および陽電子の識別を実現する。
• 電子識別の最適化と陽子汚染の低減を目的として、ECALシャワー形状にブーストド・ディシジョン・ツリー（BDT）アルゴリズムを適用する。
• 系統的不確かさは、データ駆動型の手法を用いて評価され、トリガー効率、トラック再構築、BDT選別効率の各項を含む。GEANT4に基づくモンテカルロシミュレーションを用いてキャリブレーションを行う。
• 大気バックグラウンドを除外するために、TRDおよびECALに信号を持つβ > 0.8の下向きの相対論的粒子を保持する緩い事前選別を適用し、1.25× Stoermerカット要件を課す。
• 安定性は、さまざまなBDTカット閾値の範囲でテストされ、プローブサンプルおよびテンプレートフィッティングを用いて効率補正が施される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 350 GeVまでに及ぶ宇宙線陽電子分率のエネルギー依存性は何か？また、ダークマターの兆候を示すような構造は観測されるか？
• RQ2 0.5から500 GeVの範囲で電子フラックスはどのように変化するか？滑らかで、硬化するか、軟化する傾向を示すか？
• RQ3 E³を乗じた電子および陽電子フラックスの挙動は何か？理論的期待値と比較するとどうなるか？
• RQ4 全エネルギー範囲にわたり、電子および陽電子識別効率はどの程度安定的で信頼できるか？主な系統的不確かさ要因は何か？
• RQ5 観測されたスペクトルが、パulsarなどの天体物理学的源が陽電子過剰の原因であると支持するか、あるいは除外するか？

主な発見

• 陽電子分率は10 GeVから約250 GeVまで一貫して増加しており、20から250 GeVの間で勾配が10倍小さくなっている。
• 陽電子分率スペクトルには、微細構造や急峻な特徴は観測されず、滑らかなエネルギー依存性を示している。
• E³を乗じた電子フラックスは10 GeVまで上昇し、それ以上のエネルギーでは滑らかでゆっくり減少する傾向を示している。
• E³を乗じた陽電子フラックスは10 GeVまで上昇し、10から30 GeVの間で平坦に保たれ、30 GeVを超えると再び上昇しており、電子スペクトルとは明確に異なるスペクトル指数を持つことが示唆されている。
• 電子スペクトルの測定は、300億件を超えるイベントから抽出された約900万個の電子に基づくもので、AMSが予想される全データの10％を占める。
• 系統的不確かさはまだ最終段階にあり、トリガー効率は数GeVを超えると100％に達しており、広いエネルギー範囲でモンテカルロシミュレーションと1％以内の一致を示すトラック再構築効率である。