[论文解读] Search for Fractional Charges in Cosmic Rays with Ams

C. Sbarra, D. Casadei+4 more|arXiv (Cornell University)|Apr 10, 2003

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 3

一句话总结

本研究利用航天飞机STS-91任务期间搭载的AMS-01实验数据，搜索原初宇宙射线中分数电荷粒子（具体为2/3e）的存在。通过分析飞行时间（TOF）闪烁计数器中的能量沉积，并应用快速触发效率模型，作者在95%置信水平下设定了此类粒子通量的上限为3.0×10⁻⁷ cm⁻²s⁻¹sr⁻¹，为标准模型之外的奇异物理提供了严格约束。

ABSTRACT

Preliminary results on the flux of non strongly-interacting, fractionally charged particles in primary cosmic rays at 400 Km above sea level are given. Cosmic ray data collected by AMS-01 in June 1998 have been analysed on the hypotheses of 2/3 charged leptons. The search is carried on by looking at the energy deposition measurements by the time of flight system scintillator counters. A preliminary flux limit is given.

研究动机与目标

• 在宇宙射线中搜索非强相互作用的分数电荷粒子，特别是2/3e轻子，作为探索标准模型之外物理的探针。
• 检验此类粒子可能产生可被AMS-01飞行时间（TOF）系统通过能量沉积探测到的弱电离信号的假设。
• 通过分析1998年STS-91任务中预触发的TOF触发事件，建立2/3e粒子的通量上限。
• 评估低电离粒子的快速触发效率，并将其与按电荷平方缩放的质子能量损失分布进行比较。

提出的方法

• 使用AMS-01 TOF闪烁计数器测量四个平面中能量沉积（dE/dx），时间分辨率为120 ps。
• 将2/3e粒子的预期能量损失建模为与质子Landau分布成比例的缩放版本，比例系数为Q²。
• 采用“旁观平面”方法，利用非触发平面记录的数据，计算每个TOF平面的快速触发（FT）效率。
• 通过各平面效率的组合求和，计算三个平面组合的总FT效率。
• 应用官方AMS-01质子分析中的标准筛选条件：排除南大西洋异常区数据、每平面仅允许单簇簇、以及轨迹质量筛选。
• 使用贝叶斯统计方法，在未观测到信号事件（n=0）的情况下，设定95%置信水平的信号通量上限。

实验结果

研究问题

• RQ1 假设2/3e电荷粒子以自由、弱相互作用的轻子形式存在，其在原初宇宙射线中的通量上限是多少？
• RQ2 与质子相比，AMS-01 TOF系统对分数电荷粒子的快速触发效率如何变化？
• RQ3 TOF系统中的能量沉积模式能否在低电离水平下区分2/3e粒子与质子背景？
• RQ4 考虑到其探测阈值和能量分辨率，AMS-01 TOF系统对Q = 2/3e的弱电离粒子的灵敏度如何？
• RQ5 观测到的数据分布低于0.7 MIP时，与预期背景和信号分布相比如何？

主要发现

• 基于各平面效率0.43、0.71、0.68和0.47，计算得出AMS-01 TOF系统中检测2/3e粒子的快速触发效率为ε_FT,2/3e = 0.18。
• 2/3e粒子的能量损失分布被建模为按质子Landau分布缩放的版本，在0.7 MIP处与质子背景有明显分离。
• 在三个或更多TOF平面中同时未观测到低能量沉积的候选事例，表明信号未显著高于背景。
• 基于36,436秒的观测时间，设定了2/3e粒子通量在95%置信水平下的上限为3.0×10⁻⁷ cm⁻²s⁻¹sr⁻¹。
• 分析表明，完整AMS-01数据集可将该上限提高10倍，而国际空间站上的AMS-02可再提高100倍。