[论文解读] Relative abundances of cosmic ray nuclei B-C-N-O in the energy region from 10 GeV/n to 300 GeV/n. Results from ATIC-2 (the science flight of ATIC)

А. Д. Панов, N. V. Sokolskaya+20 more|arXiv (Cornell University)|Jul 30, 2007

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 1被引用 18

一句话总结

本文利用ATIC-2高空气球实验中改进的电荷分辨率，对10至300 GeV/n能量区间内的宇宙射线B/C、C/O和N/O通量比进行了高精度测量。通过结合硅阵列与上部闪烁体位置仪层，该研究降低了背景并提升了电荷分辨率，得到的B/C比随能量降低，与宇宙射线传播模型一致，但显著的不确定性限制了对模型的区分能力。

ABSTRACT

The ATIC balloon-borne experiment measures the energy spectra of elements from H to Fe in primary cosmic rays from about 100 GeV to 100 TeV. ATIC is comprised of a fully active bismuth germanate calorimeter, a carbon target with embedded scintillator hodoscopes, and a silicon matrix that is used as the main charge detector. The silicon matrix produces good charge resolution for protons and helium but only partial resolution for heavier nuclei. In the present paper, the charge resolution of ATIC was improved and backgrounds were reduced in the region from Be to Si by using the upper layer of the scintillator hodoscope as an additional charge detector. The flux ratios of nuclei B/C, C/O, N/O in the energy region from about 10 GeV/nucleon to 300 GeV/nucleon obtained from this high-resolution, high-quality charge spectra are presented, and compared with existing theoretical predictions.

研究动机与目标

• 通过利用上部闪烁体位置仪层作为额外的电荷探测器，提升ATIC-2实验中轻型宇宙射线核素（B、C、N、O）的电荷分辨率。
• 降低硅阵列电荷谱中硼和碳的本底污染，特别是在硅阵列分辨率较差的5–8电荷区间。
• 在10–300 GeV/n能量范围内高精度测量B/C、C/O和N/O的相对通量比，以检验宇宙射线传播模型。
• 对大气相互作用和仪器响应效应进行修正，以推导大气层以上的原始通量。
• 将测量得到的比值与漏箱模型中的理论预测进行比较，以评估不同传播机制的有效性。

提出的方法

• 利用BGO量能器的轨迹信息和硅阵列的电荷信息重建原初粒子的电荷，同时通过上部位置仪层中的42根平行闪烁体条纹获得额外的电荷测量。
• 基于硅阵列电荷（Q_Si）与闪烁体条纹电荷（Q_Sci）的一致性选择事例，采用条件 |Q_Si - Q_Sci| ≤ 0.25 且空间接近（距重建轨迹 ≤5 cm）。
• 最终电荷通过平均计算：Q = (Q_Si + Q_Sci)/2，以提升分辨率并降低背景，代价是统计量约减少4倍。
• 利用FLUKA模拟减去仪器中质子和氦（p, He）相互作用引起的本底，硼在最高能段的修正高达36%。
• 构建电荷响应矩阵 K^q_q' 以考虑仪器展宽和误重建效应，从而从观测到的电荷谱中反卷积得到真实通量。
• 利用FLUKA模拟的碎片化系数 L^q_q' 应用大气修正，通过求解三角形、对角占优的线性系统，恢复大气层以上的原始通量。
• 通过在几何平均能量点插值获得能量依赖的通量比，并对大气吸收进行修正，采用蒙特卡洛方法进行完整的误差传播。

实验结果

研究问题

• RQ1 在ATIC-2实验中，上部闪烁体位置仪层的引入如何提升轻型宇宙射线核素的电荷分辨率和本底抑制？
• RQ2 在10–300 GeV/n能量区间内，B/C、C/O和N/O的精确能量依赖通量比是多少？与现有数据和理论模型相比有何差异？
• RQ3 大气相互作用和仪器响应在多大程度上影响测量到的通量比？这些效应如何修正以恢复原始宇宙射线谱？
• RQ4 在高能区，测量得到的B/C比是否足以区分不同的宇宙射线传播模型，例如具有不同逃逸长度的漏箱模型？
• RQ5 通量比中的实验不确定性在多大程度上限制了对竞争性宇宙射线传播理论模型的区分能力？

主要发现

• B/C比从19.9 GeV/n处的0.180 ± 0.011降至307 GeV/n处的0.064 ± 0.063，表明高能区能谱出现软化。
• N/O比从19.9 GeV/n处的0.219 ± 0.010降至307 GeV/n处的0.144 ± 0.068，与星际介质中二次生成一致。
• C/O比在约1.0附近基本保持恒定，从19.9 GeV/n处的1.020 ± 0.026至307 GeV/n处的1.022 ± 0.227，表明该能量区间内能量依赖性极弱。
• 大气修正使B/C比在各能量区间降低13%–33%，高能区修正最大，因碎片化效应增强。
• 测量得到的B/C和N/O比值在相似能量下略高于HEAO-3-C2的结果，但能量范围延伸至307 GeV/n，统计精度更高。
• 尽管电荷分辨率和本底抑制得到改善，实验不确定性仍过大，无法区分具有不同逃逸长度设定的竞争性传播模型。