[论文解读] First Results from the PAMELA Space Mission

M. Boezio, V. Bonvicini+54 more|ArXiv.org|Oct 20, 2008

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 2被引用 7

一句话总结

PAMELA 使用基于空间的磁谱仪，在 1–10 GeV 能量范围内以高精度测量了反质子与质子的通量比，通过轨迹质量和偏转标准实现了优异的本底抑制。结果与次级产生模型高度一致，并对暗物质湮灭等奇异源进行了约束。

ABSTRACT

On the 15th of June 2006, the PAMELA satellite-borne experiment was launched from the Baikonur cosmodrome and it has been collecting data since July 2006. The apparatus comprises a time-of-flight system, a silicon-microstrip magnetic spectrometer, a silicon-tungsten electromagnetic calorimeter, an anticoincidence system, a shower tail counter scintillator and a neutron detector. The combination of these devices allows precision studies of the charged cosmic radiation to be conducted over a wide energy range (100 MeV - 100's GeV) with high statistics. The primary scientific goal is the measurement of the antiproton and positron energy spectrum in order to search for exotic sources, such as dark matter particle annihilations. PAMELA is also searching for primordial antinuclei (anti-helium), and testing cosmic-ray propagation models through precise measurements of the antiparticle energy spectrum and precision studies of light nuclei and their isotopes. We review the status of the apparatus and present preliminary results concerning antiparticle measurements and dark-matter indirect searches.

研究动机与目标

• 以高精度测量宇宙射线中反质子和正电子的能量谱，以搜寻暗物质的信号。
• 通过精确测量反粒子谱和轻核同位素，检验宇宙射线传播模型。
• 搜寻原初反核子（如反氦）作为奇异天体物理过程的潜在证据。
• 利用先进的粒子识别技术，减少来自π介子和溢出质子的本底污染。
• 为次级反粒子产生理论模型及奇异源（如暗物质）提供严格约束。

提出的方法

• 利用飞行时间系统、硅微条磁谱仪和硅-钨电磁 calorimeter 测量粒子的电荷、动量和能量。
• 应用严格的轨迹质量与偏转标准（10× 误差阈值），以抑制溢出质本底并提高反质子识别能力。
• 利用 calorimeter 的簇射拓扑结构和 ToF 系统的速度测量，将电子和π介子与反质子区分开。
• 利用模拟数据和在轨质子数据校准质子与反质子的选择效率，考虑动量相关的相互作用截面。
• 使用 GHEISHA 和 FLUKA 生成器模拟π介子产生，并将模拟谱与 1 GV 以下的飞行数据对比，以归一化π介子污染。
• 在 S1/S2 上应用 AC 闪烁体和能量沉积标准，以排除来自有效载荷结构的局部π介子。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 1–10 GeV 能量范围内，反质子与质子的通量比精确值是多少？与次级产生模型相比如何？
• RQ2 PAMELA 在多大程度上抑制了来自溢出质子和π介子的本底，从而隔离出反质子信号？
• RQ3 所测得的反质子谱能在多大程度上约束如暗物质粒子湮灭等奇异源？
• RQ4 在 1 GV 以下，π介子污染的估计有多准确？其对反质子测量的影响如何？
• RQ5 反质子通量比是否表现出与平滑次级产生行为不符的偏离，可能暗示新物理？

主要发现

• PAMELA 测得的反质子与质子通量比在 ~10 GeV 以下呈现平滑上升，随后趋于平缓，与次级产生模型一致。
• PAMELA 数据与其它实验的当代测量结果高度一致，统计不确定性主导于系统误差。
• 在 2 GV 以上，反质子样本中的π介子污染低于 5%，在 5 GV 以上降至 1% 以下，该结果通过模拟和飞行数据均得到验证。
• 通过 4 至 8 GV 的飞行数据对残余π介子污染进行了交叉检验，确认了模拟的归一化因子。
• 反质子通量测量精度足够高，可对次级产生计算和奇异源施加严格约束。
• 低能反质子（低至 100 MeV）的分析仍在进行中，正电子信号分析正在进行，预计 2008 年底前发表论文。