[论文解读] Search for Antimatter in Space with the Alpha Magnetic Spectrometer

R. Battiston|arXiv (Cornell University)|Jul 12, 1999

Astro and Planetary Science被引用 2

一句话总结

本文报告了阿尔法磁谱仪（AMS）在STS-91任务中的首次预飞实验结果，该实验使用基于空间的磁谱仪探测宇宙射线中的反物质核。尽管探测到超过100万个宇宙射线事件，但未观测到任何氦-4或更重的反物质核，从而得出在1.6–20 GV刚性范围内的反氦/氦通量比的模型无关上限为<1.7×10⁻⁶，显著优于以往气球载荷的限制。

ABSTRACT

The Alpha Magnetic Spectrometer (AMS) is a state of the art particle physics experiment for the extraterrestrial study of antimatter, matter and missing matter. AMS successfully completed the precursor STS91 Discovery flight (June 2nd-12th, 1998), completing 152 orbits at 52 degrees of latitude and about 400 km of height, collecting more than 100 million CR events. In this paper we report on the first flight experience and we present preliminary results on the search for nuclear antimatter. No antimatter nuclei with Z&gt;=2 were detected. We obtain a model dependent upper limit on the anti-He /He flux &lt;1.14 10^^-6 In the rigidity region between 1.6 to 20 GV we obtain a model independent, conservative upper limit on anti-He /He flux &lt;1.7 10^^-6 and &lt;2.8 10^^-5 for Z&gt;2, improving the results of previous published searches performed with stratospheric balloons.

研究动机与目标

• 在空间环境中搜索宇宙射线中的反物质核，特别是反氦-4及更重的核。
• 通过探测原初反物质来检验宇宙中大规模物质-反物质不对称性的假说。
• 利用高精度空间磁谱仪建立对反物质通量的严格上限。
• 在国际空间站（ISS）上安装前验证AMS探测器系统的性能。
• 在灵敏度和刚性覆盖范围方面超越以往气球载荷实验的限制，提升反物质探测能力。

提出的方法

• 使用永久钕铁硼（Nd-Fe-B）磁体使带电粒子轨迹偏转，以测量动量和电荷符号。
• 采用六层硅微条轨迹探测器，以高空间分辨率和低材料预算（3.2% X₀）测量粒子轨迹曲率。
• 应用飞行时间（ToF）闪烁体探测器平面，沿约1.4米路径长度以~105 ps的时间分辨率测量粒子速度（β）。
• 利用折射率n=1.035的气凝胶契伦科夫探测器识别粒子速度与质量，实现粒子类型的区分。
• 采用卡方检验与似然法结合的选择性截断，以区分氦核及更重核与背景，通过蒙特卡罗模拟（GEANT）进行效率修正。
• 基于刚性依赖的效率修正和95%置信水平的统计极限，计算通量比，同时考虑触发、拒收及吸收截面差异的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 宇宙射线中反氦-4与氦-4的通量比上限是多少？
• RQ2 与以往气球载荷实验相比，基于空间的磁谱仪是否能以更高灵敏度探测宇宙射线反物质核？
• RQ3 在1.6–20 GV刚性范围内，反氦/氦通量比的模型无关上限是多少？
• RQ4 AMS预飞任务的性能与未来国际空间站任务的预期表现相比如何？
• RQ5 未检测到反物质对涉及物质-反物质不对称性或分离区域的宇宙学模型施加了何种约束？

主要发现

• 在152圈地球轨道飞行期间收集的1亿个宇宙射线事件中，未探测到任何反氦-4或更重的反物质核。
• 在假设刚性谱相同的前提下，反氦-4与氦-4通量比的模型相关上限为<1.14×10⁻⁶。
• 在1.6–20 GV刚性范围内，反氦-4/氦-4通量比的模型无关、保守上限为<1.7×10⁻⁶。
• 对于原子序数Z > 2的核素，通量比的模型无关上限为<2.8×10⁻⁵，相比以往气球实验结果提升了约5倍。
• 仅通过四天深空暴露，AMS预飞任务即达成了如此严格的限制，证明了该仪器具有高接受度与高灵敏度。
• 该结果超越了BESS气球实验的最佳先前限制，尤其在刚性覆盖范围和统计显著性方面表现更优。