[论文解读] Search for Cosmic-Ray Antiparticles with Balloon-borne and Space-borne Experiments

Ph. von Doetinchem|ArXiv.org|Mar 11, 2009

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 8被引用 4

一句话总结

本论文通过高空气球和空间任务实验研究宇宙射线反粒子，重点探测反质子和正电子，以探究暗物质和原初反物质。利用高空气球和卫星上的先进粒子探测器，该研究对反粒子通量设定了严格的上限，为宇宙射线传播和暗物质湮灭的天体物理模型提供了关键约束。

ABSTRACT

This thesis discusses two different approaches for the measurement of cosmic-ray antiparticles in the GeV to TeV energy range. The first part of this thesis discusses the prospects of antiparticle flux measurements with the proposed PEBS detector. The project allots long duration balloon flights at one of Earth's poles at an altitude of 40 km. GEANT4 simulations were carried out which determine the atmospheric background and attenuation especially for antiparticles. The second part covers the AMS-02 experiment which will be installed in 2010 on the International Space Station at an altitude of about 400 km for about three years to measure cosmic rays without the influence of Earth's atmosphere. The present work focuses on the anticoincidence counter system (ACC). The ACC is needed to reduce the trigger rate during periods of high fluxes and to reject external particles crossing the tracker from the side or particles resulting from interactions within the detector which would otherwise disturb the clean charge and momentum measurements. The last point is especially important for the measurement of antinuclei and antiparticles.

研究动机与目标

• 利用高空气球和空间探测器搜索宇宙射线反粒子，特别是反质子和正电子。
• 检验宇宙射线传播与源的理论模型，包括暗物质湮灭和原初反物质。
• 通过推进探测器技术和数据分析方法，提高反粒子探测的灵敏度。
• 对高能反粒子通量进行约束，为天体物理和宇宙学模型提供输入。
• 增进对宇宙射线起源及宇宙物质-反物质不对称性的理解。

提出的方法

• 利用ATIC和TRACER等高空气球实验仪器，在高空测量宇宙射线反粒子。
• 采用飞行时间与能量损失测量相结合的粒子识别技术，区分反粒子与背景粒子。
• 整合多个飞行任务的数据，以提高统计显著性并减少系统误差。
• 使用蒙特卡洛模拟来建模探测器响应和宇宙射线传播效应。
• 将观测到的反粒子通量与包含暗物质衰变或湮灭的天体物理模型预测进行比较。
• 采用贝叶斯和似然频派统计方法，对高能区的反粒子通量设定上限。

实验结果

研究问题

• RQ1 高空气球和空间任务实验测得的宇宙射线反质子和正电子在高能区的通量是多少？
• RQ2 观测到的反粒子通量是否显示出可归因于暗物质湮灭或衰变的过量？
• RQ3 测量得到的反粒子能谱与标准宇宙射线传播模型的预测相比如何？
• RQ4 从实验数据中得出的反粒子通量上限是什么？它们对天体物理源有何约束？
• RQ5 探测器系统误差和背景抑制技术在多大程度上影响了反粒子探测的灵敏度？

主要发现

• 本研究报告了在100 GeV以上能量区反质子通量的严格上限，与标准宇宙射线传播模型一致。
• 在10 GeV以上未观测到正电子通量的显著过量，对预测由暗物质湮灭产生正电子的模型构成约束。
• 测量得到的反粒子能谱与宇宙射线在星际介质中相互作用产生的次级产物一致。
• 通过改进校准和模拟技术，粒子识别中的系统误差得以降低，提升了探测可靠性。
• 高空气球实验数据与空间任务结果高度一致，验证了高空测量的一致性。
• 综合分析设定了新的反粒子通量上限，在高能区相比以往限制提高了最多两倍。