[论文解读] High-energy electron observations by PPB-BETS flight in Antarctica

S. Torii, T. Yamagami+24 more|ArXiv.org|Sep 4, 2008

Photocathodes and Microchannel Plates被引用 102

一句话总结

本研究通过在南极上空进行的13天长航时高空气球飞行，利用PPB-BETS仪器（一种带有闪烁纤维和铅板的成像级联仪）获得了高能电子观测结果。该研究首次测量了100 GeV以上电子的到达方向，结果与各向同性一致，并在10至800 GeV能量范围内导出了功率律能谱，谱指数为-3.05 ± 0.05，表明在约300 GeV附近可能存在能谱结构。

ABSTRACT

We have observed cosmic-ray electrons from 10 GeV to 800 GeV by a long duration balloon flight using Polar Patrol Balloon (PPB) in Antarctica. The observation was carried out for 13 days at an average altitude of 35 km in January 2004. The detector is an imaging calorimeter composed of scintillating-fiber belts and plastic scintillators inserted between lead plates with 9 radiation lengths. The performance of the detector has been confirmed by the CERN-SPS beam test and also investigated by Monte-Carlo simulations. New telemetry system using a commercial satellite of Iridium, power supply by solar batteries, and automatic level control using CPU have successfully been developed and operated during the flight. From the long duration balloon observations, we derived the energy spectrum of cosmic-ray electrons in the energy range from 100 GeV to 800 GeV. In addition, for the first time we derived the electron arrival directions above 100 GeV, which is consistent with the isotropic distribution.

研究动机与目标

• 使用长航时高空气球飞行测量100 GeV以上宇宙射线电子的能谱。
• 首次测量100 GeV以上高能电子的到达方向。
• 搜索与附近超新星遗迹或WIMP暗物质湮灭相关的能谱结构。
• 验证一种新型探测器系统，该系统在长航时高空气球任务中具备改进的遥测、供电和控制能力。

提出的方法

• PPB-BETS探测器使用了36条闪烁纤维带、9个塑料闪烁体和14块铅板（总计9个辐射长度）构成成像级联仪。
• 通过正交纤维带的二维级联剖面和能量沉积测量，重建电子级联簇射。
• 采用铱星卫星和太阳能电池供电的新型遥测系统，实现了连续数据传输和自主运行。
• 姿态确定采用太阳和地磁方位传感器，并结合IGRF模型进行校正以提高方向精度。
• 通过将观测事件率拟合至幂律模型推导出能谱，并利用级联成像实现背景抑制。
• 利用级联轴线重建电子到达方向，角分辨率约为0.5°，并通过各向同性验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 100 GeV以上的高能电子谱是否表现出与附近超新星遗迹相关的能谱结构？
• RQ2 高能宇宙射线电子是否如快速能量损失和磁场偏转所预期的那样表现出各向异性的分布？
• RQ3 长航时高空气球任务是否能够获得足够统计量和背景抑制能力，以探测低于质子通量0.2%的电子通量？
• RQ4 100 GeV以上的电子到达方向是否与标准传播模型预测的各向同性一致？

主要发现

• 10至800 GeV范围内的电子能谱可用单一幂律描述，谱指数为-3.05 ± 0.05，自由度为11时的卡方值为1.605。
• 谱线在约300 GeV附近显示出可能的能谱结构，与早期ATIC-2观测结果一致，提示可能存在附近源或WIMP湮灭。
• 100 GeV以上电子的到达方向与各向同性分布一致，统计误差范围内未检测到显著各向异性。
• 探测器性能通过CERN-SPS束流实验和蒙特卡罗模拟得到验证，能量和方向重建均得到确认。
• 新型遥测、供电和控制系统成功支持了在南极35公里高度连续13天的运行。
• PPB-BETS与BETS联合谱在100 GeV处的通量为(1.82 ± 0.13) × 10⁻⁴ m⁻²s⁻¹sr⁻¹GeV⁻¹，与外推模型一致。