[논문 리뷰] Ten Years of PAMELA in Space

O. Adriani, G. C. Barbarino외 51명|arXiv (Cornell University)|2018. 01. 31.

Dark Matter and Cosmic Phenomena참고 문헌 119인용 수 42

한 줄 요약

PAMELA는 10년간 우주에서 우주선 반입자 스펙트럼과 태양 변조 데이터를 정밀하게 제공하고, 다크 물질 시나리오와 이색 물질을 제약하며, 헬리오스페릭 및 마그네토스페릭 환경을 드러낸다.

ABSTRACT

The PAMELA cosmic ray detector was launched on June 15th 2006 on board the Russian Resurs-DK1 satellite, and during ten years of nearly continuous data-taking it has observed new interesting features in cosmic rays (CRs). In a decade of operation it has provided plenty of scientific data, covering different issues related to cosmic ray physics. Its discoveries might change our basic vision of the mechanisms of production, acceleration and propagation of cosmic rays in the Galaxy. The antimatter measurements, focus of the experiment, have set strong constraints to the nature of Dark Matter. Search for signatures of more exotic processes (such as the ones involving Strange Quark Matter) was also pursued. Furthermore, the long-term operation of the instrument had allowed a constant monitoring of the solar activity during its maximum and a detailed and prolonged study of the solar modulation, improving the comprehension of the heliosphere mechanisms. PAMELA had also measured the radiation environment around the Earth, and it detected for the first time the presence of an antiproton radiation belt surrounding our planet. The operation of Resurs-DK1 was terminated in 2016. In this article we will review the main features of the PAMELA instrument and its constructing phases. Main part of the article will be dedicated to the summary of the most relevant PAMELA results over a decade of observation

연구 동기 및 목표

• 광범위한 에너지 범위에서 우주선 반입자(반프로톤 및 양전하)의 관측을 전례 없이 정밀하게 조사한다.
• 은하 우주선 전자, 양전하, 양성자 및 경원자들을 특성화하여 생성, 가속 및 전파를 연구한다.
• 오랜 기간 동안 태양 주기 의존 데이터를 통해 태양 변조 효과와 헬리오스페릭 물리를 모니터링한다.
• CR 스펙트럼에서 이색 현상(예: 이상 쿼크 물질) 및 잠재적 다크 물질 신호를 탐색한다.
• 시간에 따라 지구 근처의 방사선 환경과 마그네토스페릭 입자 집단을 지도화한다.

제안 방법

• PAMELA의 자성 분광계, 시간-비행 시스템, 칼로리미터, 샤워 꼬리 포착기, 중성자 검출기를 활용해 입자를 구분하고 에너지를 측정한다.
• 반입자 플럭스와 스펙트럼을 전자/양전자에 대해 수십에서 수백 GeV까지, 반프로톤은 약 200 GeV까지 측정한다.
• 칼로리미터 기반 에너지 추정치를 분광기의 강직도와 교차 보정하여 에너지 스펙트럼을 얻는다.
• 장기 데이터를 분석하여 태양 변조와 헬리오스페릭 전파 효과를 연구한다.
• 고감도 전하·질량 판별을 통해 반핵(antinuclei) 및 이상 쿼크 물질 신호를 탐색한다.
• 지구의 마그네토스페릭 방사선 환경을 특성화하고 마그네토스페릭 및 반사입자(알베도) 집단을 검출한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 은하 우주선에서 반프로톤과 양전자의 에너지 스펙트럼은 무엇이며 이것이 2차 생산 모델과 어떻게 비교되는가?
• RQ2 약 10 GeV를 넘는 에너지에서 양전자 과잉의 증거가 있는가, 그리고 그 가능한 원천은 다크 물질, 펄서, 다른 천체 물리 소스 등 무엇인가?
• RQ3 전자 및 양전자 스펙트럼은 태양 활동과 함께 어떻게 진화하며, 이것이 태양 변조와 헬리오스페릭 수송에 대해 어떤 정보를 주는가?
• RQ4 PAMELA가 이상 물질(예: 이상 쿼크 물질)의 신호를 탐지하거나 반핵 동반체(antinuclei) 풍부도를 제약할 수 있는가?
• RQ5 임무 기간 동안 지구 근처 방사선 환경의 특성과 마그네토스페릭 입자 집단의 특성은 어떠한가?

주요 결과

• PAMELA은 10 GeV 이상에서 양전자 비율의 상승을 관측했으며, 이 결과는 나중에 AMS-02 및 FERMI에 의해 확인되어 표준 이차 생성 모델에 도전했다.
• 전자와 양전자의 절대 스펙트럼을 측정했고; 양전자 스펙트럼은 고에너지에서 전자에 비해 경도가 나타난다.
• 반프로톤/프로톤 비율 측정은 다크 물질 및 양전자 과잉의 이색 과정 해석에 제약을 제공했다.
• PAMELA는 태양 주기의 상당 부분에 걸쳐 태양 변조 및 헬리오스페릭 수송 연구에 기여했다.
• 임무는 지구 주위 최초의 반프로톤 방사선 띠를 검출하고 마그네토스페릭 입자 집단 및 SEP 이벤트를 모니터링했다.
• 결과는 CR 생성, 가속 및 전파에 대한 이해를 종합적으로 진전시키고 새로운 물리 시나리오를 제약했다.