[论文解读] Physics Results From Alpha Magnetic Spectrometer 1998 Shuttle Flight

M. Huang|arXiv (Cornell University)|Apr 13, 2001

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用 3

一句话总结

本文报告了阿尔法磁谱仪（AMS）在1998年航天飞机任务期间的物理结果，探测到约10⁸个事例。其结果包括：在刚度1至140 GV/c范围内，反物质的极限为1.1×10⁻⁶；测得原初宇宙射线谱的幂律指数γ = 2.78 ± 0.021；识别出低于地磁刚度截止值的大气反照粒子，包括两类不同群体的粒子——分别与回旋运动和漂移运动相关，其飞行时间分别为短和长。

ABSTRACT

The Alpha Magnetic Spectrometer (AMS) is a particle detector designed to detect antimatter. During the 10-day test flight on the space shuttle in June 1998, AMS detected $10^8$ events. Upon analysis, no antimatter was found and the antimatter limit was reduced to $1.1 imes10^{-6}$. The proton spectrum shows some differences with the cosmic ray flux used in atmospheric neutrino simulation. A large amount of protons, positrons, and electrons were found below the geomagnetic rigidity cutoff. The energy of these particles are as high as several GeV, one order of magnitude higher than any previously measured energy in radiation belts. These particles also exhibit many interesting features. This paper reviews the results in the four published papers of the AMS collaboration and provides explanation for some features of the albedo particles.

研究动机与目标

• 利用基于空间的磁谱仪测量宇宙射线通量，并搜寻反物质与暗物质的信号。
• 研究带电粒子在地球地磁场所表现出的行为，特别是低于刚度截止值的粒子。
• 识别并表征大气反照粒子——即在大气相互作用中产生的次级粒子，并被反射回太空。
• 研究辐射带中正电子与电子的起源与分布，特别是磁赤道附近观测到的高e⁺/e⁻比值。
• 利用飞行时间与刚度分布验证磁层中粒子漂移与回旋运动的模型。

提出的方法

• 使用AMS-01原型装置，一种带有1.9吨钕铁硼永磁体的大接受度磁谱仪，测量粒子的刚度、电荷与轨迹。
• 采用多层探测器系统，包括双面硅条带位置探测器（σy = 20 μm，σx = 33 μm）、飞行时间闪烁体探测器（时间分辨率120 ps）、气凝胶契伦科夫探测器及抗 coincidence 计数器。
• 采用坐标系（x轴为非偏转方向，y轴为偏转方向，z轴为圆柱轴）分析粒子轨迹与刚度。
• 利用飞行时间分布（τd/τb）将粒子分类为短飞行时间（SFT）与长飞行时间（LFT）两类，依据其漂移与回旋动力学特性。
• 使用球谐函数建模地磁场，以考虑非偶极子分量及其对粒子捕获与不对称性的影响。
• 分析粒子源分布与通量比（如e⁺/e⁻）随磁纬度与经度的变化，以研究东-西效应与磁场不对称性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在1–140 GV/c刚度范围内，宇宙射线反物质通量的上限是多少，特别是反核子的？
• RQ2 AMS-01测量的原初宇宙射线（质子、氦核、电子、正电子）谱与现有大气中微子及宇宙射线模型相比如何？
• RQ3 为何高能质子、正电子与电子在低于地磁刚度截止值的区域被探测到？其产生机制是什么？
• RQ4 长飞行时间反照粒子源位置为何呈现双峰分布？其与经向漂移运动有何关联？
• RQ5 磁赤道附近e⁺/e⁻通量比高达4的原因是什么？东-西效应是否足以解释这一现象？

主要发现

• 在刚度1至140 GV/c范围内，反物质极限测量值为1.1×10⁻⁶，对原初反物质的存在设定了严格约束。
• 在10–200 GeV刚度范围内，原初宇宙射线谱符合幂律分布，幂律指数γ = 2.78 ± 0.021，归一化系数Φ₀ = 17.1 ± 2.0 GeV⁻²·⁷⁸/(m² s sr MeV)。
• 探测到能量高达数GeV的粒子低于地磁刚度截止值，表明存在由大气相互作用产生的大气反照粒子。
• 识别出两类不同的反照粒子：短飞行时间（SFT）粒子与回旋运动相关，其源分布均匀分布在经向上；长飞行时间（LFT）粒子与经向漂移相关，其源集中在两个特定经度（磁本初子午线以东与以西）。
• e⁺/e⁻通量比在磁赤道附近可高达4，该不对称性由东-西效应解释：由于地磁场几何结构，来自西方的更高通量增强了正电子产额。
• 靠近刚度截止值的粒子，特别是高纬度区域的粒子，表现出不规则轨迹，可经历多个漂移周期，其源分布与远低于截止值的粒子不同。