[论文解读] Measurement of the cosmic p+He energy spectrum from 50 GeV to 0.5 PeV with the DAMPE space mission

DAMPE Collaboration, Francesco Alemanno+153 more|arXiv (Cornell University)|Mar 31, 2023

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 42被引用 7

一句话总结

本文利用DAMPE空间任务，首次在46 GeV至316 TeV能量范围内精确测量了宇宙射线质子+氦的能谱。研究在约29 TeV处观测到显著性达6.6σ的谱软化现象，并在约600 GeV处发现谱硬化，同时在约150 TeV附近强烈暗示存在第二个谱硬化，将空间与地面观测结果联系起来，挑战了银河系宇宙射线的单幂律模型。

ABSTRACT

Recent observations of the light component of the cosmic-ray spectrum have revealed unexpected features that motivate further and more precise measurements up to the highest energies. The Dark Matter Particle Explorer is a satellite-based cosmic-ray experiment that has been operational since December 2015, continuously collecting data on high-energy cosmic particles with very good statistics, energy resolution, and particle identification capabilities. In this work, the latest measurements of the energy spectrum of proton+helium in the energy range from 46 GeV to 464 TeV are presented. Among the most distinctive features of the spectrum, a spectral hardening at 600 GeV has been observed, along with a softening at 29 TeV measured with a 6.6σ significance. Moreover, the detector features and the analysis approach allowed for the extension of the spectral measurement up to the sub-PeV region. Even if with small statistical significance due to the low number of events, data suggest a new spectral hardening at about 150 TeV.

研究动机与目标

• 利用DAMPE空间任务，在46 GeV至316 TeV能量范围内精确测量宇宙射线质子+氦的能谱。
• 研究偏离单幂律行为的谱特征，如谱硬化与软化。
• 通过将能谱延伸至更高能量，建立空间实验（DAMPE）与地面实验之间的联系。
• 通过识别谱 break 及其显著性，约束银河系宇宙射线加速与传播的模型。

提出的方法

• DAMPE卫星收集了高统计量的高能宇宙射线粒子数据，具备优异的能量分辨率和粒子识别能力。
• 通过量能器与触发技术相结合的方法重建质子+氦的能谱，以区分质子+氦与其他粒子。
• 采用平滑断裂幂律（SBPL）模型拟合数据以描述谱特征，模型参数包括归一化、谱指数、断点能量及平滑度。
• 系统误差通过乘以模型的多余参数进行建模，协方差矩阵由蒙特卡罗模拟推导得出。
• 通过将SBPL拟合与单幂律拟合进行比较，评估谱特征的显著性，结果在约29 TeV处的软化具有6.6σ的显著性。
• 通过采用不同强子相互作用模型（FLUKA、DPMJET-3、GEANT4-QGSP_BERT）重复拟合，进一步估算额外的不确定性，以反映模型依赖性差异。

Figure 2: Effective acceptance of the p+He analysis obtained by using p and He MC samples, after applying all the selection cuts (see text).

实验结果

研究问题

• RQ1 在10 TeV以上能量区域，质子+氦能谱是否表现出谱软化？其显著性如何？
• RQ2 在500 GeV以上能量区域，质子+氦能谱中是否存在谱硬化？其与以往观测结果相比如何？
• RQ3 DAMPE数据是否能将质子+氦能谱的覆盖范围扩展至316 TeV，从而实现与地面实验的直接比较？
• RQ4 所观测到的谱特征（特别是约29 TeV处的软化）具有多高的统计显著性？
• RQ5 在约150 TeV附近是否存在第二个谱硬化的证据？其对宇宙射线传播机制的解释有何影响？

主要发现

• 在约29 TeV处观测到显著性达6.6σ的谱软化，表明其与单幂律行为存在稳健偏离。
• 在约600 GeV处检测到谱硬化，与以往观测一致，暗示宇宙射线源或传播机制发生改变。
• 能谱延伸至316 TeV，实现了与地面实验的直接比较，证实了不同能量区段之间的连续性。
• 在约150 TeV附近发现第二个谱硬化的证据，数据支持该现象，且与SBPL拟合模型一致。
• 最佳拟合的SBPL模型得到断点能量为 E_B = 28.8+6.2−4.4 TeV，谱指数变化量 Δγ = 0.43+0.066−0.057。
• SBPL拟合的 χ²/dof 为 0.9/2，表明对数据的描述良好；而单幂律拟合的 χ²/dof 为 48.14/4，显著更差，进一步证实了谱特征的显著性。

Figure 3: Response matrix derived from MC simulations of p and He after applying the selection cuts. The colors represent the probability that the event in a bin of incident energy, migrates to different bins of energy deposited in the BGO calorimeter.