[论文解读] Primary Cosmic Ray Proton Flux Measured by AMS-02

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

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 2被引用 6

一句话总结

本文基于国际空间站上AMS-02实验在2011至2013年两年间的数据，首次精确测量了原初宇宙射线质子通量。在100 GeV以上能量区域，观测到单一幂律谱，未发现精细结构；在低刚度范围内，观测到太阳调制效应和太阳活动引起的Forbush下降。

ABSTRACT

The Alpha Magnetic Spectrometer (AMS-02) is a high energy particle detector designed to study origin and nature of cosmic rays up to a few TV from space. It was installed on the International Space Station (ISS) on May 19, 2011. During the first two years of operation AMS-02 performed precise measurements of the proton flux. In the low rigidity range, from 1 GV to 20 GV, the proton flux was daily measured with a statistical error less than 1%. In the same rigidity range a gradual decrease due to Solar modulation effect and transit variations due to Solar Flares and Coronal Mass Ejection were also observed. In the rigidity range from 20 GV up to 100 GV instead, AMS-02 data show no drastic variation and the results are consistent with other experiments. Above 100 GV, AMS-02 proton flux exhibits a single power low behavior with no fine structures nor brakes.

研究动机与目标

• 精确测量1–100 GV刚度范围内原初宇宙射线质子的绝对通量及其能谱形状。
• 研究太阳调制效应以及瞬态太阳活动（如耀斑、日冕物质抛射）对低刚度区域质子通量的影响。
• 确定100 GeV以上区域的质子通量，并检验高能区是否存在能谱拐点或精细结构。
• 通过严格的事件选择与反卷积程序，验证AMS-02探测器的性能及系统不确定度。

提出的方法

• AMS-02是安装在国际空间站上的磁谱仪，利用永磁体、硅条纹跟踪器和飞行时间系统测量粒子的刚度与电荷。
• 基于完整轨迹重建（第1层与第9层）、速度一致性（与向下运动粒子一致）以及通过跟踪器中能量损失实现电荷识别来选择事件。
• 通量通过曝光时间、有效接受度、触发效率（ε_trg.）和轨迹重建效率（ε_trk.）进行归一化，系统误差估计为3.1%。
• 采用贝叶斯反卷积程序，利用双高斯参数化分辨率矩阵，校正由能量分辨率引起的迁移效应。
• 通过改变分辨率参数（σ值±10%）和对准偏移量（最多±1/20 TV⁻¹）评估系统不确定度。
• 最终通量由反卷积并归一化的每刚度能段事件数得出，统计误差在整个能量范围内均低于1%。

实验结果

研究问题

• RQ1 原初宇宙射线质子通量在1 GV至100 GV刚度范围内如何随刚度变化？其主导调制效应是什么？
• RQ2 100 GeV以上区域的质子能谱是否表现出能谱拐点、精细结构或偏离单一幂律的特征？
• RQ3 太阳活动（如耀斑和日冕物质抛射）对AMS-02观测到的低刚度质子通量有何影响？
• RQ4 探测器效率与分辨率修正在重建整个刚度能谱的真实质子通量时，其准确性如何？

主要发现

• 在两年数据期间，1 GV至20 GV刚度范围内，质子通量的统计不确定性低于1%。
• 在约10 GV以下，观测到通量逐渐下降，这是由于太阳调制效应所致，且在2012年3月7日X5.4耀斑后出现显著的Forbush下降。
• 2012年3月7日太阳事件导致的Forbush下降持续约3周，通量下降幅度在30 GV以内，是太阳活动第24周期中最强的事件。
• 2012年5月17日M5.1耀斑引发太阳活动第24周期首次地磁增强（GLE），在通量中表现为明显的尖峰。
• 在100 GV以上区域，质子能谱符合单一幂律，未发现精细结构或拐点，与研究能量范围内无额外能谱特征一致。
• 在100 GV以下，通量的总系统不确定度为3.2%；在1 TV处为6.3%，主要贡献来自接受度不确定度（2.8%）。