[論文レビュー] Ten Years of PAMELA in Space

O. Adriani, G. C. Barbarino+51 more|arXiv (Cornell University)|Jan 31, 2018

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 119被引用数 42

ひとこと要約

PAMELAは10年間宇宙線を調査し、精密な反粒子スペクトルと太陽変調データを提供し、ダークマターのシナリオとエキゾチック物質を制約し、ヘリオスペースと磁気圏環境を明らかにする。

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

研究の動機と目的

• 広いエネルギー範囲にわたり、前例のない精度で宇宙線反粒子（反プロトンと陽電子）を調査する。
• 生成・加速・伝搬を研究するために、銀河宇宙線の電子、陽電子、陽子、軽い核を特徴づける。
• 長期的で太陽活動周期依存のデータを通じて、太陽変調効果とヘリオスペース物理を監視する。
• CRスペクトル中の奇異な現象（例：奇妙なクォーク物質）や潜在的なダークマターの兆候を捜索する。
• 時間とともに地球近傍の放射環境と磁気圏粒子集団をマッピングする。

提案手法

• PAMELAの磁場スペクトロメータ、時間飛行系、カロリメータ、シャワーテイルキャッチャー、ニュートロン検出器を用いて粒子を同定しエネルギーを測定する。
• 電子/陽電子の反粒子フラックスとスペクトルを数百GeV程度まで、反プロトンについては約200 GeV程度まで測定する。
• カロリメータに基づくエネルギー推定をスペクトロメータの剛性とクロスキャリブレーションしてエネルギースペクトルを得る。
• 長期データを分析して、太陽最小期を超える太陽変調とヘリオスペース伝搬効果を調べる。
• 高感度の電荷・質量識別によって反核種と奇妙なクォーク物質の兆候を捜索する。
• 地球の磁気圏放射環境を特徴づけ、磁気圏粒子集団とアルベド粒子を検出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 銀河宇宙線における反陽子と陽電子のエネルギースペクトルはどのようで、二次生成モデルとどのように比較されるか。
• RQ2 約10 GeVを超えるエネルギーで陽電子過剰の証拠はあるか、そしてその可能な源（例：ダークマター、パルサー、他の天体物理源）は何か。
• RQ3 電子と陽電子スペクトルは太陽活動とともにどのように進化し、太陽変調とヘリオスペース輸送について何を示すか。
• RQ4 PAMELAは奇妙なクォーク物質などのエキゾチック物質の署名を検出できるか、また反核種の存在比を制約できるか。
• RQ5 任務期間中の地球近傍放射環境と磁気圏粒子集団の性質はどのようなものか。

主な発見

• PAMELAは10 GeVを超える陽電子分率の上昇を観測し、後にAMS-02とFERMIによっても確認され、標準的な二次生成モデルに挑戦した。
• 電子と陽電子の絶対スペクトルを測定し、陽電子スペクトルはより高エネルギー領域で電子より硬化を示す。
• 反プロトン対プロトン比の測定はダークマターおよび陽電子過剰のエキゾチック過程解釈に制約を与えた。
• PAMELAは太陽周期のかなりの期間にわたる太陽変調とヘリオスペース伝搬の研究に寄与した。
• 任務は地球周辺で初の反陽子放射帯を検出し、磁気圏粒子集団とSEPイベントを監視した。
• 結果はCRの生成・加速・伝搬の理解を総合的に進展させ、新しい物理シナリオを制約した。