[论文解读] Elemental energy spectra of cosmic rays measured by CREAM-II

P. Maestro, H. S. Ahn+31 more|arXiv (Cornell University)|Mar 30, 2010

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 3

一句话总结

CREAM-II 通过携带冗余粒子识别和采样级联 calorimeter 的高空气球仪器，测量了从碳到铁的元素宇宙射线能量谱，能量范围达约 100 TeV/n。所有主要核素的谱均呈现近乎相同的幂律能量依赖关系，谱指数为 $\gamma = 2.66 \pm 0.04$，表明存在共同的加速机制；而氮的数据在 100 GeV/n 以上显示出谱硬化现象，支持高能区存在原初成分的结论。

ABSTRACT

We present new measurements of the energy spectra of cosmic-ray (CR) nuclei from the second flight of the balloon-borne experiment CREAM (Cosmic Ray Energetics And Mass). The instrument (CREAM-II) was comprised of detectors based on different techniques (Cherenkov light, specific ionization in scintillators and silicon sensors) to provide a redundant charge identification and a thin ionization calorimeter capable of measuring the energy of cosmic rays up to several hundreds of TeV. The data analysis is described and the individual energy spectra of C, O, Ne, Mg, Si and Fe are reported up to ~ 10^14 eV. The spectral shape looks nearly the same for all the primary elements and can be expressed as a power law in energy E^{-2.66+/-0.04}. The nitrogen absolute intensity in the energy range 100-800 GeV/n is also measured.

研究动机与目标

• 在 100 GeV/n 至 100 TeV/n 范围内，以高精度测量从 C 到 Fe 的宇宙射线核素的元素能量谱。
• 通过直接测量成分和能量谱，检验宇宙射线加速与传播的天体物理模型。
• 通过测量氮的能量谱并与其二次生成模型比较，探究宇宙射线中氮的起源。
• 验证高空气球实验中多个探测器系统在能量和电荷重建上的一致性。

提出的方法

• CREAM-II 采用多探测器系统，包括时间-电荷探测器（TCD）、切伦科夫探测器（CD）、像素化硅电荷探测器（SCD）和采样成像级联 calorimeter（CAL），实现冗余粒子识别与能量测量。
• CAL 为 20 个辐射长度的钨-闪烁体堆叠结构，具有高颗粒度，通过簇簇核心成像实现轨迹重建。
• 粒子电荷通过 SCD 和 TCD 确定，电荷分辨优于 0.35e，可实现从 H 到 Ni 元素的分离。
• 能量谱通过轨迹重建、簇簇核心成像，以及对仪器顶部（TOI）和大气顶部（TOA）效应的修正进行重构。
• 系统误差评估包括重建算法（低于 3 TeV 时为 10%，高于 3 TeV 时为 5%）、TOI 修正（原初核素为 2%）和大气次级修正（氮因氧散裂污染导致为 15%）。
• 数据在 24 天稳定飞行期（12 月 19 日至 1 月 12 日）内采集，共获得 57 GB 数据，能量和电荷分辨率高。

实验结果

研究问题

• RQ1 从 C 到 Fe 的原初宇宙射线核素能量谱在 100 GeV/n 至 100 TeV/n 范围内是否遵循共同的幂律行为？
• RQ2 重核素的谱指数在不同元素间是否一致，从而暗示存在共同的加速机制？
• RQ3 氮的能量谱是否在高能区表现出硬化现象，如高刚度下原初成分占主导时所预期的那样？
• RQ4 来自重建和大气修正的系统误差如何影响原初与次级核素绝对强度的测量？
• RQ5 在高能区，N/O 丰度比是否与 CREAM-I 的先前测量结果一致？

主要发现

• C、O、Ne、Mg、Si 和 Fe 的能量谱均遵循 $E^{-2.66 \pm 0.04}$ 的幂律依赖关系，表明原初重核素具有共同的加速机制。
• 加权平均谱指数 $\bar{\gamma} = 2.66 \pm 0.04$ 与从 CRN 和 TRACER 数据联合推导出的 $2.65 \pm 0.05$ 值一致。
• 氮的数据在 100 GeV/n 以上显示出明显的谱平坦化，支持高能区存在原初氮成分。
• 在约 800 GeV/n 处测得的 N/O 丰度比为 $0.080 \pm 0.025$（统计误差）$\pm 0.025$（系统误差），与 CREAM-I 结果良好一致。
• 绝对强度测量覆盖了六个数量级的能量范围，且未对先前数据进行归一化，增强了其直接可比性。
• 系统误差控制良好，原初核素为 2%，氮因氧散裂污染导致为 15%。