[论文解读] Precision measurement of the (e$^+$ + e$^-$) flux in primary cosmic rays from 0.5 GeV to 1 TeV with the Alpha Magnetic Spectrometer on the International Space Station

M. Vecchi|arXiv (Cornell University)|Jan 9, 2017

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 12

一句话总结

本文利用国际空间站上的阿尔法磁谱仪（AMS-02）对0.5 GeV至1 TeV能量范围内的原初宇宙射线中电子与正电子的联合通量进行了高精度测量。该通量平滑，且在30.2 GeV以上可由单一幂律函数精确描述，谱指数为$\gamma = -3.170 \pm 0.008$，表明在1 TeV以内能量谱中无显著结构或偏离。

ABSTRACT

We present a precise measurement of the combined electron plus positron flux from 0.5 GeV to 1 TeV, based on the analysis of the data collected by the Alpha Magnetic Spectrometer during the first 30 months of operations aboard the International Space Station. The statistics and the high resolution of AMS-02 detector provide a precise measurement of the flux. The flux is smooth and reveals new and distinct information. Above 30.2 GeV, the combined electron plus positron flux can be described accurately by a single power law.

研究动机与目标

• 在宽广的能量范围内，对原初宇宙射线电子与正电子的联合通量进行高精度测量。
• 确定该通量在30 GeV以上是否表现出任何谱结构或偏离幂律行为的迹象。
• 通过利用AMS-02探测器的高统计量和低背景特性，提升能量分辨率与通量测量的统计精度。
• 利用飞行数据和测试束校准，验证绝对能量标度与选择效率。
• 对联合e⁺+e⁻通量的能量依赖性进行无模型假设的表征。

提出的方法

• 利用AMS-02在国际空间站上30个月运行期间收集的41 × 10⁹个宇宙射线事例进行通量测量。
• 通过探测器几何结构、模拟得到的选择效率以及纯电子事例样本验证，计算有效接受度与曝光时间。
• 通过组合追踪器动量、ECAL能量沉积、TRD辐射转移和TOF飞行时间信息，识别信号事例，以排除质子和背景事件。
• 在每个能量能段应用模板拟合程序，估算信号与背景事例数，能段宽度设定为至少两倍能量分辨率。
• 通过滑动能量窗口拟合$\Phi(e^+ + e^-) = C E^\gamma$确定谱指数，不确定性综合统计误差、系统误差与能量标度误差来源。
• 利用最小电离粒子和E/p匹配方法验证能量标度，10–290 GeV范围内不确定性为2%，0.5 GeV和1 TeV处为5%。

实验结果

研究问题

• RQ1 在30 GeV以上，电子与正电子的联合通量是否表现出任何谱结构或偏离幂律行为？
• RQ2 0.5 GeV至1 TeV范围内，联合e⁺+e⁻通量的精确能量依赖性如何？
• RQ3 该通量的谱指数在能量范围内如何变化？是否与单一幂律一致？
• RQ4 先前测量中观测到的正电子过量在多大程度上影响了联合通量的行为？
• RQ5 能量标度不确定性对通量测量与谱指数确定的影响如何？

主要发现

• 0.5 GeV至1 TeV范围内，联合(e⁺ + e⁻)通量平滑，未表现出显著的谱结构或特征。
• 在30.2 GeV以上，通量可由单一幂律函数良好描述，谱指数为$\gamma = -3.170 \pm 0.008$（统计+系统误差）± 0.008（能量标度）。
• 在140 GeV以上，统计不确定性占主导，通道间迁移误差低于1%，并在10 GeV以上降至0.2%。
• 10至290 GeV范围内能量标度不确定性为2%，在0.5 GeV和1 TeV处增加至5%，该不确定性被视作对能段边界的影响，作为系统误差处理。
• 测量能量范围扩展至1 TeV，由于电荷无关的选择方法，选择效率高于单独电子或正电子通量测量。
• 通量经$E^3$归一化后，在30.2 GeV以上未表现出与幂律拟合的偏离，证实了在整个测量范围内能量依赖性的一致性。