[论文解读] The discovery of geomagnetically trapped cosmic ray antiprotons

O. Adriani, G. C. Barbarino+62 more|arXiv (Cornell University)|Jul 25, 2011

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 33被引用 41

一句话总结

该论文报告了PAMELA卫星实验首次在南大西洋异常区（SAA）直接探测到地磁捕获的宇宙射线反质子。通过粒子轨迹模拟和60–750 MeV能量谱测量，研究证实捕获的反质子通量比银河系宇宙射线反质子高出三个数量级，主要由反中子次级辐射场衰变引发的CRANbarD过程驱动。

ABSTRACT

The existence of a significant flux of antiprotons confined to Earth's magnetosphere has been considered in several theoretical works. These antiparticles are produced in nuclear interactions of energetic cosmic rays with the terrestrial atmosphere and accumulate in the geomagnetic field at altitudes of several hundred kilometers. A contribution from the decay of albedo antineutrons has been hypothesized in analogy to proton production by neutron decay, which constitutes the main source of trapped protons at energies above some tens of MeV. This Letter reports the discovery of an antiproton radiation belt around the Earth. The trapped antiproton energy spectrum in the South Atlantic Anomaly (SAA) region has been measured by the PAMELA experiment for the kinetic energy range 60--750 MeV. A measurement of the atmospheric sub-cutoff antiproton spectrum outside the radiation belts is also reported. PAMELA data show that the magnetospheric antiproton flux in the SAA exceeds the cosmic-ray antiproton flux by three orders of magnitude at the present solar minimum, and exceeds the sub-cutoff antiproton flux outside radiation belts by four orders of magnitude, constituting the most abundant source of antiprotons near the Earth.

研究动机与目标

• 利用空间粒子探测器探测并测量地球内辐射带中的捕获反质子。
• 区分反质子源，特别是CRANbarD机制（来自次级辐射场反中子衰变）与直接对产生过程。
• 约束地球磁层中反质子产生与输运的理论模型。
• 测量太阳活动极小期SAA区域的反质子能量谱及反质子与质子比。
• 将捕获反质子通量与低于截止能量的对流层反质子及银河系宇宙射线反质子进行比较，评估其相对贡献。

提出的方法

• PAMELA卫星实验于2006年7月至2008年12月期间收集数据，重点聚焦于McIlwain L壳层值在1.1至1.3之间的南大西洋异常区（SAA）区域。
• 基于动能（60–750 MeV）、接近90°的投掷角以及磁场强度低于0.216 G的条件筛选反质子候选粒子，表明其处于捕获粒子运动状态。
• 利用TrajMap模拟工具重建粒子轨迹，追踪其沿磁力线的螺旋运动、镜像点之间的回旋运动及纵向漂移。
• 采用Störmer形式化方法（R_VC = 14.9 / L²）估算刚性截止能量，以识别辐射带外低于截止能量的反质子。
• 将捕获反质子谱与Selesnick等人（2007年）及Gusev等人（2008年）的理论预测结果进行比较，并与PAMELA获取的银河系宇宙射线反质子数据进行对照。
• 对28个识别出的捕获反质子应用统计分析，估算其在SAA区域的占空比为1.7%（约4.6 × 10⁹ s）。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否存在可探测的、在地球磁层中捕获的反质子通量，特别是在内辐射带？
• RQ2 CRANbarD过程（来自次级辐射场反中子衰变）对捕获反质子群体的相对贡献，与直接对产生过程相比如何？
• RQ3 捕获反质子通量与银河系宇宙射线反质子通量及低于截止能量的对流层反质子通量相比如何？
• RQ4 SAA区域捕获反质子的能量谱为何？与理论模型相比有何差异？
• RQ5 SAA区域实测的反质子与质子比在多大程度上与CRANbarD模型预测一致？

主要发现

• PAMELA实验在SAA区域的60–750 MeV动能范围内探测到28个捕获反质子，证实了地磁捕获反质子群体的存在。
• 在太阳活动极小期，SAA区域的捕获反质子通量比银河系宇宙射线反质子通量高出三个数量级，成为低于约1 GeV的近地反质子的主要来源。
• 捕获反质子通量比辐射带外低于截止能量的对流层反质子通量高出四个数量级。
• SAA区域实测的反质子与质子比趋势与理论CRANbarD模型一致，其数值与次级辐射场反中子与中子比相近。
• PAMELA测量的捕获反质子能量谱与Selesnick等人（2007年）针对PAMELA轨道的CRANbarD预测结果高度一致。
• 研究结果显著约束了地球磁层中反质子产生的理论模型，并降低了反质子谱预测的不确定性。