[论文解读] DAMPE space mission: first data

F. Gargano|arXiv (Cornell University)|Jan 18, 2017

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 3

一句话总结

DAMPE空间任务于2015年12月发射，利用大接受度（0.3 m²sr）、深BGO射电仪（32个辐射长度）以及多层探测器实现电子/质子分离，以高精度测量从数十GeV到100 TeV的宇宙射线能谱。首次在轨数据显示探测器性能优异，通过形状参数和中子探测技术可将轻子簇射与强子背景区分开，对质子的抑制能力超过10⁵。

ABSTRACT

The DAMPE (DArk Matter Particle Explorer) satellite was launched on December 17, 2015 and started its data taking operation a few days later. DAMPE has a large geometric factor ($\sim~0.3\ m^2\ sr$) and provides good tracking, calorimetric and charge measurements for electrons, gammas rays and nuclei. This will allow precise measurement of cosmic ray spectra from tens of $GeV$ up to about $100\ TeV$. In particular, the energy region between $1-100\ TeV$ will be explored with higher precision compared to previous experiments. The various subdetectors allow an efficient identification of the electron signal over the large (mainly proton-induced) background. As a result, the all-electron spectrum will be measured with excellent resolution from few $GeV$ up to few $TeV$, thus giving the opportunity to identify possible contribution of nearby sources. A report on the mission goals and status is presented, together with the on-orbit detector performance and the first data coming from space.

研究动机与目标

• 在前所未有的能量分辨率和低本底条件下，测量从几GeV到若干TeV的全电子能谱。
• 通过高能电子和正电子的精确测量，识别潜在的暗物质信号。
• 研究宇宙射线成分和能谱，直至100 TeV，包括硼/碳比值和能谱硬化现象。
• 结合射电仪、跟踪探测器和中子探测技术，实现对强子背景的高效抑制。
• 在轨验证DAMPE探测器系统的性能，确保三年以上科学运行的长期稳定性。

提出的方法

• DAMPE卫星使用塑料闪烁体阵列（PSD）进行电荷测量和防 coincidence 检测，实现Z=26以内的Z识别。
• 由12个平面和3层钨转换器组成的硅-钨追踪器（STK）可实现精确的粒子轨迹重建和伽马射线对转化。
• 具有308根闪烁体棒的32个辐射长度BGO射电仪可高分辨率测量簇射分布和能量沉积，实现电磁簇射与强子簇射的分离。
• 基于¹⁰B掺杂塑料闪烁体的中子探测器（NUD）可探测强子簇射中热化的中子，从而增强对强子的抑制能力。
• 从BGO层剖面计算形状参数Fᵢ = spreadᵢ × (Eᵢ/E_tot)，以区分轻子簇射与强子簇射。
• 通过70 Hz的触发率进行在轨校准和数据传输，采用带时间戳的事件打包方式，重建后每日输出约100 GB数据。

实验结果

研究问题

• RQ1 DAMPE能否在1–100 TeV能量范围内实现电子/质子分离，且抑制能力超过10⁵？
• RQ2 从10 GeV到若干TeV的全电子能谱测量精度如何？能否揭示附近天体物理源的能谱特征？
• RQ3 DAMPE探测器系统在轨表现如何，特别是在能量校准、指向精度和本底抑制方面？
• RQ4 与以往实验相比，BGO射电仪和NUD系统在强子簇射抑制方面能提升多少？
• RQ5 在三年运行期间，预期将测量硼/碳比值和宇宙射线能谱的哪些结果？

主要发现

• DAMPE探测器系统在轨运行稳定，性能参数（温度、噪声、空间分辨率、效率）与发射前预期一致。
• 通过地磁截止效应验证了BGO射电仪的绝对能量标度，确认了能量校准的准确性。
• 通过在轨数据成功验证了仪器的绝对指向精度。
• 基于165天的光子数据生成的初步高能天图显示了主要伽马射线源的正确位置。
• 仅用10天数据即成功实现了铁（Z=26）以内宇宙射线的电荷测量，清晰展示了元素之间的分离。
• 初步结果表明，利用最后两层BGO（第13和14层）的形状参数，电子/质子分离的抑制能力已超过10⁵。