[论文解读] Ten Years of PAMELA in Space

O. Adriani, G. C. Barbarino+51 more|arXiv (Cornell University)|Jan 31, 2018

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 119被引用 42

一句话总结

PAMELA 在十年中观测宇宙射线，提供精确的反粒子谱与太阳调制数据，约束暗物质情景与奇异物质，并揭示日球层和磁层环境。

ABSTRACT

The PAMELA cosmic ray detector was launched on June 15th 2006 on board the Russian Resurs-DK1 satellite, and during ten years of nearly continuous data-taking it has observed new interesting features in cosmic rays (CRs). In a decade of operation it has provided plenty of scientific data, covering different issues related to cosmic ray physics. Its discoveries might change our basic vision of the mechanisms of production, acceleration and propagation of cosmic rays in the Galaxy. The antimatter measurements, focus of the experiment, have set strong constraints to the nature of Dark Matter. Search for signatures of more exotic processes (such as the ones involving Strange Quark Matter) was also pursued. Furthermore, the long-term operation of the instrument had allowed a constant monitoring of the solar activity during its maximum and a detailed and prolonged study of the solar modulation, improving the comprehension of the heliosphere mechanisms. PAMELA had also measured the radiation environment around the Earth, and it detected for the first time the presence of an antiproton radiation belt surrounding our planet. The operation of Resurs-DK1 was terminated in 2016. In this article we will review the main features of the PAMELA instrument and its constructing phases. Main part of the article will be dedicated to the summary of the most relevant PAMELA results over a decade of observation

研究动机与目标

• 以前所未有的精度在广泛能量范围内研究宇宙射线反粒子（反质子和正电子）。
• 描述银河宇宙射线电子、正电子、质子和轻原子核，以研究产生、加速和传播。
• 通过长期、依太阳周期的数据监测太阳调制效应和日球层物理。
• 在 CR 谱中寻找奇异现象（如奇异夸克物质）和潜在的暗物质信号。
• 逐步绘制近地辐射环境和磁层粒子在一段时间内的分布。

提出的方法

• 利用 PAMELA 的磁谱仪、飞行时间系统、卡路里计、 shower tail catcher、以及中子探测器来识别粒子并测量能量。
• 测量反粒子通量和谱，电子/正电子可达数百 GeV，反质子约至 ~200 GeV。
• 将卡路里计基于能量的估计与谱仪的刚性进行交叉校准，以获得能量谱。
• 分析长期数据以研究太阳调制和日球层传播效应，覆盖太阳极小期及以后阶段。
• 通过高灵敏的荷质判别，寻找反核和奇异夸克物质信号。
• 表征地球磁层辐射环境，检测磁层和反射粒子族群。

实验结果

研究问题

• RQ1 银河宇宙射线中反质子和正电子的能量谱是什么，它们与二次产生模型有何差异？
• RQ2 在能量大于约10 GeV 时是否存在正电子超额，其可能来源是什么（如暗物质、脉冲星、其他天体物理源）？
• RQ3 电子和正电子谱随太阳活动如何变化，这对太阳调制和日球层传输有什么启示？
• RQ4 PAMELA 能否探测到如奇异夸克物质等奇异物质信号，或约束反核丰度？
• RQ5 近地辐射环境和磁层粒子在任务期间的性质是什么？

主要发现

• PAMELA 观察到在10 GeV 以上的正电子分数上升，这一结果后来被 AMS-02 和 FERMI 证实，挑战了标准的二次产生模型。
• 电子和正电子的绝对谱已被测得；正电子谱在更高能量显示出硬化，相对于电子谱。
• 反质子/质子比值的测量为暗物质和正电子超额的奇异过程解释提供约束。
• PAMELA 对太阳调制和日球层传输的研究做出贡献，覆盖太阳活动周期的较大部分。
• 该任务还探测到地球周围的第一安反质子辐射带，并监测磁层粒子族群和 SEP 事件。
• 这些结果共同推进了对宇宙射线的产生、加速与传播的理解，并对新物理情景设置了约束。