从阿尔法磁谱仪在国际空间站的最新结果

莫拉格拉齐亚尼 ^{[] 1 [] 2}

AMSCollaboration

电子邮件︰[email protected]

阿尔法磁谱仪 (AMS-02) 是精度大 acceptancehigh 能量粒子探测器。它已成功部署在 2011 年，5 月 19 日th在国际空间 Station(ISS) 与太空梭 STS-134 团进行独特的 longduration 特派团的基本物理空间的研究。AMS 是能发动危害精确测量宇宙射线 (CR) 组成和 energyspectra 到 TeV 规模，可以揭示 primordialanti 物质的存在或给异国情调的来源，对于示例 secondariesfrom 暗物质湮灭的签名。将讨论的 AMS 02detector 以及基于空间作业的第一次 30months 期间收集的数据的结果性能概述。

核物理，53 国际冬季会议

26-30 日 2015 年

意大利锡耶纳

1.AMS-02 探测器

阿尔法器 (AMS) 是大接受宇宙射线探测器有 beeninstalled 国际空间站 (ISS) 上的 STS-134 美国宇航局奋进号太空梭任务期间在 2011 年 5 月，它将收集的地方 cosmicrays 直到国际空间站操作，当前设置到 2024 年结束。由于长期暴露时间结合大型探测器接受 (0.5 m²sr)，AMS 是能够研究能量范围 1GeV 1TeV 以前所未有的精度和灵敏度的主要的 CR 通量。

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[1]扬声器。

[2]物理研究所和 I-06100 佩鲁贾，意大利佩鲁贾大学

由作者创作的署名-非商业性使用-CommonsAttribution 许可证条件的日月。http://pos.sissa.it/

实验的主要目标是直接搜索的反核和间接搜索的黑暗物质 particlesthrough 他们湮灭到光的粒子，如 ¯p、e^±或γ-射线 [1]、 伽马射线天体物理学和奇特的物理学 (strangelets)。此外，AMS-02 用预期会大大提高我们的银河系中的 CR 加速和传播过程的理解 [18,19]。期间整个 11 年太阳能 cyclewill CR 低能量通量的测量还帮助太阳物理的理解和在传播 ofCRs 在日光层。

图 1︰ 观左︰ 示意图的 AMS-02 光谱仪。右边︰ 由弯曲 (y-z) 在国际空间站上的 AMS 探测器 660GeV electronmeasured 飞机。Trackerplanes 测量粒子电荷和动量。TRD 标识作为一个电子的粒子。TOF 措施费用，并确保该粒子是向下走。富人独立措施费用 andvelocity。埃卡尔，独立标识了粒子电子并作为它的能量。

要达到其 scientificgoals，仪器 — — 哪些逻辑示意图布局报告图1 中已考虑到大冗余测量的 particleproperties 与互补技术由不同的子探测器。AMS-02 hasa 容量的 5×4×3 米³，重 7.5 吨，建成以优势从经验的高能量粒子物理实验。

仪器的核心是光谱仪，组成一块永久磁铁，产生磁力场强度的 0.14T，和 9 层的双-sidedmicro-带硅传感器。光谱仪的任务是重建轨迹和刚性的度量指标 (R = P/eZ，势头/荷比)。

上面和下面 thespectrometer 两架飞机的飞行计数器 (ToF) 时间提供的 AMS 02 maintrigger 和区分上行和下行的粒子。结合运动轨迹的曲率，给出了由 thespectrometer，此信息用于重建的电荷符号。TransitionRadiation 检测器 (TRD) 位于顶部的仪器。Detectoris 完成环成像切伦科夫探测器 （富） 与量热仪 anelectromagnetic （ecal） 学习。AMS-02 的中央部分是包围的由反符合系统 (ACC)。

详细信息 [1 AMS-02 探测器屏蔽式].

在以下将提交 AMS 的电子和正电子的最新成果在 cosmicrays 中并将简要地讨论了有剖面的测量技术。

1.1The 中的宇宙射线的电子组件的重要性

CR电子组件进行重要的物理信息。Theirlow 质量、 电子 (e⁻) 和正电子 (e⁺) 受到与国际米兰的恒星介质相互作用的重要的能源损失期间他们之间既和地球的轨迹。为此他们携带的起源和传播的 CR 互补强子组件的信息。由于 theirstrong 能量损失，电子和正电子在高能量是 uniqueprobes 研究中银河系附近的铬源属性 [12].

Anexcess 的电子在 300-700 GeV 就从传统的弥漫性电子束源 expectedspectrum 据报阿蒂奇的范围 [13] 和 PPB 赌注 [14]。费米以下测量 [10,11] 观察光谱平坦的 e⁻ + e⁺70-200 伏特和少量过剩在与 higherenergies 之间的频谱尊重阿蒂奇和 PPB 赌注。在更高的能量，快速 steepeningof 谱遵守赫斯 [15,16]。帕梅拉测量的 positronfraction [9] 和 e⁻谱 [17] 有指出电子和 positronscontributing e 的高能部分中观察到的功能上的活水源头，需要⁻、 e⁺谱。

的观测电子测量 (e⁻) 和正电子 (e⁺) 具有挑战性︰ 收取宇宙射线之间 1 GeV-1TeV 观察地球，这些极大地组成质子 (∼90%)，氦 (∼8%) 和 heavynuclei (∼1%)。 e⁻和 e⁺分别构成 (∼1%和∼ 0. CR 总通量的 1%。在测量电子组件所面临的主要挑战是自然高背景/信号比率。强震的主要的 CR 部分，即质子 (p)，共计 e⁻p∼10⁻³-10⁻²和 e⁺/p∼10⁻⁴-10⁻³根据能量。

为了来路需要高 e/p 拒绝权力，AMS-02 使用主要三子探测器︰ 辐射转型探测器 (TRD)、 电磁量能器 （ecal） 学习和跟踪器 (TRK)。

2.硬度测量和 ChargeConfusion

轰击跟踪器由 2264年双面微带硅 sensorsdistributed 在 9 层 [5,6] 与一个活跃的领域 ∼ 6. 4m²。正如在图中显示2，3 9 层位于之外的永久磁铁的磁场︰ 一个可以到位于 TRD、 另一个以上的磁铁和富人和埃卡尔之间的最后一。其他 6 层构成内部跟踪器载于 thepermanent 磁铁场卷。

图 2: Dispositionof 9 硅

图 3: Rigidityresolution 估计

跟踪程序层︰ 外的 3 arelocated

蒙特卡罗的质子。TheMDR 是 ∼ 2TeV。

磁场。Others6 层构成-

从 450GeVTest 束质子结果

天津工程师范学院单载有 Trackerwhich 的内心被叠加 （红色圆圈） 验证

永久磁铁 fieldvolume。

仿真。

图 4︰ 收取 confusionfor 电子和正电子。蒙特卡罗 （红色虚线） 的期望和测量，直接从国际空间站数据 （全黑眼圈），将显示。

追踪器是能发现粒子与高精度的过境点 (∼ 10µ m的弯曲方向和 ∼ 30µ m沿着非弯曲一个)。从过境点很可能重建会厌的粒子的运动轨迹和运动轨迹的曲率提供刚性粒子的测评。连续监测 trackerstability 被执行飞行与内部激光准直系统和 cosmicrays 允许保持跟踪器对齐不确定性 fewmicrons 一级达到相同的性能验证在地面的空间。

它有一个最大的探测刚度，多药耐药，∼ 2 TeV forsingle 带电粒子所载图3 reportingthe 刚性决议为质子粒子估计与充分的探测器蒙特 Carlosimulation 和用梁的试验 （在数字中的红点），在发射前进行验证。精度的刚度测量关键衡量所有的非电磁粒子 （见秒的势头3) 作为质子和原子核，到 TeV。

条件下的缺口有关质点的 ToF （下行或上行场粒子） 与刚度的标志方向的信息可能线阵电荷的标志。鉴于这个数量级在物质和反物质在不同物种之间的相对丰度 (质子反 protons∼ 10⁴、 电子/正电子∼ 10，氦/反 Helium> 10⁹)，误认圆筒型收标志，收取费用混乱 (CC)，可能有己见测量的相关影响。CC 可以由两个主要效应生成︰溢出和错误 hitpickup。溢出是 CC 高动量粒子的主要来源︰ 内部磁场轨迹的曲率半径增加项数粒子动量和有限的测量分辨率的轨迹，它变得更有可能与 aflipped 曲率标志进行弹道重建。在较低的能量，CC 最大来源是在追踪器-有关噪声与杂散击中或探测材料-粒子与错误关联的交互跟踪在模式识别中，诱导其刚度值和电荷符号及其 trajectoryhence 错了重建。这种效应可以是 mitigatedsearching 在其他子探测器，oncetheir 拓扑在文书中相互作用的影响是知道他们可以减去要么被拒绝的 orstatistically 基于其特征分布。

在图中4 theCC 电子和正电子，作为能量函数的显示。从 MC Theexpectation 相比 CC 直接从数据测量︰ 衡量量的 CC，适合的模板方法一直活动在探测器和能源/刚度比通过看来。

3.能源计量

高精度测量的粒子能量为 electromagneticcomponents 宇宙辐射通过埃卡尔。

埃卡尔是 samplingelectromagnetic 量热器 64.8 活跃地区×64.8 厘米²和 17 辐射长度厚度 [8]。它是由 9 superlayers，每一层由铅交错 withscintillating 纤维，只在一个方向运行。纤维与 X 和 Y 轴平行的叠加 ofsuperlayers (五和 foursuperlayers，分别) 允许埃卡尔重建淋浴的 3D 发展。

埃卡尔能量分辨率是组织束测试的完整的 AMS-02 探测器

和是参数作为函数的能量σ(E)/E =^p(0.104)²/E + (0.014)²。作为函数能量决议如图5所示与来自 TestBeam 电子的结果叠加。

图 5︰ 在左边，TheAMS-02 电磁量能器。它由铅交错 withscintillating 纤维和其深厚的对应于 17 X₀。在右边，埃卡尔决议作为能量 （红色虚线） 函数的叠加与试验束电子 （黑点） 的结果。

4.电子质子分离

轻子-强子分离这两个关键探测器是 TRD 和埃卡尔。压倒性的背景来了，主要，CR 质子，也用于执行的轻子组件测量这些探测器乾净排斥反应。

4.1 e/p 分离与过渡辐射探测器 (TRD)

在 TRD 的工作原理的关键在于有效的检测过渡 radiation(TR) — — 软 x 射线辐射 — — 与材料粒子路径中的最小数量。TRD 是由 328 模块安排在 20 层 [7]。每个模块包含的散热器由聚丙烯/聚乙烯 fiberfleece 和 90:10 Xe:CO2 混合物填充 16 管秸秆 20 毫米。在 radiatormaterial 的折光指数变化几次。这的概率为过境粒子辐射过渡增加 x 射线。Theemission 概率与洛仑兹升压因子γ成正比，因此电子生产 moretransition 辐射比质子具有相同能量。

由电子和质子一个 TRD 管子里的 ADC spectrumreleased 如图所示6（在左边）。质子，只有电离光谱是可见的。电子，相反，对应于较高的能量释放的 TR 谱是 superimposedon 顶部的电离光谱。

ADC 计数 TRDestimator =-ln (P_e/ (P_e+P_p ))

图 6︰ 在左，TRDsingle 管 ADC （蓝色） 25 伏特电子和质子 （红色） selectedfrom 国际空间站数据光谱的方法。质子只失去在管内的电离能。电子，相反，可以产生 TR x 射线与随后更高的能量释放，可以看到国际空间站右尾分布。在右边，TRD 估计，办法可能性电子 (P_e) 和质子 (P_p) 比，用来分隔电子从质子。

TRD 估计 图 7︰ 统计学应用于 TRD 估计为了拟合方法估算在山姆-electrons(positrons) 组件

1 10 102 103 能源 (刚度 (GV) GeV) ！ 图 8: 质子排斥反应，作为能源，90%的效率，削减 TRD 估计函数。

1

ple。

观察到信号所有 TRD 关联到重构粒子的图层在很长似然估计 (P_e) 电子和质子 (P_p) 假说相结合。两个可能可以使用 （例如通过高兴比方法，在图6，右边所示） 从质子在订单 tostatistically 估计示例中的 electrons(positrons) 组件用拟合方法分离电子。这种情况下，参考光谱的 TRD 估计就是直接从数据检索在每一个能量斌︰ 要获得电子 TRDtemplate，就可以使用埃卡尔 BDT (请参阅一节4.2) 为了消除质子背景，相反，自p是占主导地位的宇宙射线物种更简单的 protontemplate 定义为。TRD 分类参考光谱是用于统计分开信号e^± p背景如图中所示的捐款 7.

取得的 protonrejection，作为函数的能量，显示在图8中.

4.2e / p 拒绝与电磁量热仪 （ecal） 学习

以干净地确定电子和正电子，增雨估计 (提高了决策树算法 [8])，已部署的不同特点 betweenelectromagnetic 和强子淋浴。估计将从电磁簇射成像重建 19 变量结合起来。电信发展局估计的电子和质子分布如图所示9.

此外，ratiobetween 能量测量由埃卡尔 (E) 和硬度测定 theTracker 可以用来拒绝质子背景 (E/R∼电子和正电子，E/R 1∼0 为质子)。

与 90%的效率，减少电信发展局，取得的 protonrejection 结合上附加能量在埃卡尔和动量谱仪，E/p 之间的伤口 < 0.75，如图所示10（右图）。

                                                                 ECALestimator

图 9︰ 埃卡尔 BoostedDecision 树估计-

电机功率因数为质子 （红色） 和电子 （蓝色） 在范围 80 100GeV 能量。

图 10: 质子排斥，作为能源，减少 90%的效率功能

电信发展局结合 E/p 0.75 <切。

5.电荷测量

CRnuclear 充电Z信息得到多重测量的 thespectrometer 的几个探测器中的能量损失和切伦科夫光检测到富人的数量。在 TRD Xe/CO₂气体混合物各的 20 层内电离能量损失是 Z²成正比，可以用于的衡量核电荷。在 4 层 ofplastic 闪烁体 TOF 和九个跟踪器层也使用相同的技术。在富人，相反，电荷的值确定的光子 countedin 切伦科夫环数。甚至在埃卡尔，MIPs 的能量损失可用于测量 Z。

采用的 analysisstrategy 是确定 CR 核电荷 7 内部跟踪多层镀膜 （从 L2 至 L8) 和 4 的 TOF 机型; 而从另一个 subdetectors 的互补信息用于第二阶段。内部跟踪器 + TOF combinationrepresents 基本

图 11︰ 示意图 Y-Zview 的 AMS-02 探测器，说明一个典型的 CR 事件的路径。Thepanels 显示对光 CRelements 的单个子探测器单位电荷反应 (Z= 1 至Z= 8): 跟踪器 (c)、 （b) TRD，(d) TOF，(e) 富，和 (f) 设计大学。

AMS 02spectrometer 的核心，并确保电荷分离能力超过宽 dynamicalrange (Z= 1−26)。在硅跟踪器，由于其双侧九 layersand 前端电子、 能量损失可以衡量与高精度的高动态范围。由的整体硅跟踪仪分辨率是 ∼ 0.1c.u.，，这是关键测量相对丰度不顾一切了铁 (Fe) 的细胞核。每一层，如果用作 standalonedetector，然而有一个很好的决议，∼ 0.3c.u。这种良好的分辨率与单一测量是非常重要的特别是第一次跟踪器层。顶部的仪器，它可以检测出 eventsentering 探测器与收取一定的费用，由于 fragmentationprocess，抵达低子探测器，作为内在的追踪者，与不同 （低） 之一。标签碎片这一功能是为所有原子核，尤其是 lessabundant 物种准确测量在哪里破碎探测器中的其他物种 couldspoil 其流量测量精度。

图11所示单 chargeestimators凡每个情节指特定子探测器在那里各种铬元素 (Z= 1−8) 有超忆症使用来自其他子探测器的信息。

6.热环境和 TTCSsystem

空间热环境的 AMS 有别于基于地面的 acceleratorexperiment 或基于卫星的试验。国际空间站，董事会 AMS orbitsaround 与一段地球的∼ 93 分钟 andis 遭受极端温度变化昼/夜效应，在 itsorbits 和太阳暴露的季节变化或变化的国际空间站，态度在靠泊碇来访人员车辆 [20]。因为每个 AMS 子探测器具有其自己的警告，业务，没有 operationaltemperature 范围，AMS 为了避免损害其电子需要警醒。为此目的，几个传感器放在每个子探测器和 AMS 的温度不断 undermonitoring。

图 12︰ 热在不同传感器测量温度的时间演变对连接到 thetracker 前端电子内部跟踪器，层 1 和层 9。

尤其是，theTracker 电子，产生几乎全量的 AMSelectronics 热，有其自身温度控制系统︰ 新手 （TrackerThermal 控制系统）。AMS-02 新手是冷却回路机械泵两相 CO₂。它是热的能够消除 ams-02 座落于外层空间面临的两个 dedicatedradiators 140W。新手提供 alsostability 对上文所述的环境温度。

在图12 舞姿跟踪程序层 1、 内部跟踪器和 trackerlayer 9 首两年的操作的平均温度。由于内部跟踪程序层 9 由新手系统进行冷却，其温度有尊重轨道热环境变化小 variationwith。可以观察到 AMS-02 操作中由于调试 2011were 的新手系统在轨道上初宽 temperaturevariations。由于 Trackerlayer 1 面对的外层空间，它有一套冷却系统不需要但这层来温暖它吧在低气温的情况下已安装了系统加热器。

7.数据示例

探测绕着地球的高空∼距离地面 400 公里，并执行一个完整的轨道在∼93 分钟。图13 拥挤的采集速率作为函数的地理坐标 （左） 和相应的活时间 （右图）。

高达约 44 个月的轨道，2015 年 1 月的 AMS 收集了∼600 亿宇宙射线事件。在这次行动，报道最新出版的 AMS，基于数据结果收集在第 30 个月的行动对国际空间站 (ISS)，从 2011 年 5 月 19 日至 2013 年 11 月 26 日。这对应于图中暴露 timeshown14.

图 13: （左） 采集速率作为一个函数的地理坐标。Averageacquisition 率 ∼ 500 赫兹。（右）含 geographicalcoordinates 的函数。

图 14︰ 曝光 timecorresponding 到第 30 个月的数据作为能量的功能。

观察到的滴暴露在低能量相关地磁场对 thetrajectories 的传入宇宙粒子的影响，为给定位置沿 orbitonly 以上相应刚度截止能量粒子可以手探测器从外层空间。在高能量，曝光时间是 operationaldetector 的 justdetermined 的服用时间充分的综合数据。∼ 80%占空比被获得的 AMS，是 spaceexperiment 显著结果。

前面已经说过在节1.1 测评的电子和正电子在宇宙射线是质子背景很 challengingdue。为了获得高的 e/p 拒绝 powerrequired，从 TRD 和埃卡尔信号用于节中所述 4.1，在单一的免费样品。此单一免费样品，通过宽松预选选择只事件与关联和匹配信号 inTRD，arelativistic 下行场粒子跟踪系统和设计大学的国际空间站数据的应用。为了拒绝与 Z 粒子>1，在跟踪和 TRD 的能量损失是在节中解释的智商 5。还有与大气中，生成的二次事件由相互作用的初级宇宙线也会删除从分析切削在地磁截止。

在流量测量中，使用了电子 MC 样本计算的几何和 thepreselection 的接受。因为一些细节数据，例如相互作用与 AMS，材料的不正确描述的 MCsimulation 上，接受被更正数据和 MC 的帐户区别考虑的一个因素。在抓取订单这一因素，每个 cutcontained 在预选中的已经研究了两个在从国际空间站数据，两个在电子 MC 电子 sampleobtained。

8.结果

在第一年期间福姆斯-02 操作的主要任务的协作已各子系统 carefulcalibration。目的是保持稳定的 detectorperformances，在时间和 thermalexcursions第6条所述的设计水平。后这第一次的调试阶段，数据分析专注于科学程序︰ 以下最新结果将简要讨论了。

8.1Positron 分数

图15 显示由 AMS 正电子 fractionperformed 精密测量中能量范围 0.5 — — 500GeV.

下面∼8GeV 与能源熬的正电子分数下降是符合标准的宇宙射线传播模型。然而，以上 20GeV，正电子比例开始增加能量，相比之下同一个模型，考虑到只有二级生产正电子。

图16 高能量比较 (>10GeV) 的 AMS 数据与 previousexperiment 报道︰ 我们注意到以上∼ 200伏特正电子分数是没有 longerincreasing 的能量。

与能量，正电子分数边坡行为的分析表明，以上∼200GeV 正电子分数不再是增加 withenergy。测定 AMS02 的正电子分数超过正电子在 ISM 中什么预期的 fromsecondary 生产 [21,22]。从附近的脉冲星正电子生产 [23] 或因物质湮灭 [24] 被提出来解释实验数据，延伸到 TeV 能源反质子通量的精确测定有助于在 disentanglethe 不同的假说正电子含水率测量。

这些两个 measurementsare AMS 的主要目标之一。

8.2Electrons 和正电子通

数字17 和 18 显示分别电子和 positronsfluxes 测定 AMS，乘以∼ E³，连同最新的 measurementsfor 比较，作为函数的能量，由 200GeV （左情节） 和 to700GeV （右图）。

到 highstatistic 谢谢收集的 AMS，有可能确定能源如图所示的光谱指数 asa 功能19。此 isa 新观察和提供的重要信息来源 ofcosmic 射线电子和正电子。

e^±能源 (GeV)

图 15︰ 测量的 AMS 从 1 到 500GeV positronfraction。它显示从 1 到 ∼8GeV 紧接着 ∼ 200GeV 台地提高迅速下降。

e^±能源 (GeV)

图 16: positronfraction 以上 10GeV，在那里它开始增加。目前 measurementextends 能量范围到 500GeV 和演示，上面 ∼200GeV，positronfraction 不再增加。与其他的实验测量是 alsoshown。

从结果看，是清澈的既电子通量和正电子通量是 significantlydifferent 在其规模和能源的依赖，不能描述 bysingle 幂定律。电子和正电子却有所不同的光谱指数，两者都改变他们的行为在 ∼30GeV计算高能正电子有不同来源的电子。此外，从 20 在正电子比例上升 GeV (见第8.1) 是由于过量的正电子，不到失去电子 (正电子 fluxis 更难)。

至于正电子分数，更好地理解不同光谱特征的起源将成为通量的测量将扩大在能源的业态。

!

图 17: AMSelectrons 流量，乘以 E³相比 earliermeasurements 多达 200GeV （在左边） 和 700GeV。（右边）。

!

图 18: AMSpositrons 流量，乘以 E³相比 earliermeasurements 多达 200GeV （在左边） 和 700GeV。（右边）。

8.3 （e⁺ + e⁻） 助焊剂

包容性测量的电子和正电子的通量也由 AMS 执行在 energyrange 0.5GeV — — 1TeV。在此分析中，进行了 particlecharge 标志上的没有明确规定;这允许更有效的事件选择清洁至 e⁺e⁻，统计最大化和最小化任何有关在跟踪和收费混乱影响切割质量的 systematicuncertainty。它提供了珍贵的一致性检查到8.2中单独通 measurementspresented和在同一时间，它可以直接测量的数据进行其他实验的手段 ofcalorimetric 技术与 directlycompared [10,13] 或基于间接测量 [citaHESS] 地面。

Φ 测评(e⁻+e⁺)作为函数的能量从 0.5 到通量的 1 TeVindicates GeV 光滑，揭示了新的和不同的信息。Nostructures 观察。从 30.2GeV 到 1TeV，通量可以用来描述一个单一幂律谱指数

能源 (GeV) ！

图 19: spectralindices （蓝点） 电子通量和正电子通 (redpoints) 作为能量函数。

20︰ 电子加通量测定的 AMSmultiplied E³作为函数的能量与思辨的结果相比早些时候实验。

图 21︰ 符合 30.2GeV 的 Φ （e⁻ +e⁺） 乘以 E³以上单一幂律.

Γ = ω-3.170±0.008 （stat + 系统） + 0.图21中所示的 008(energy scale).

9.结论

在第一个记录的数据∼30 个月的特派团通过 AMS 实验有分析

介绍了电子和正电子能量谱的测量，以及正电子分数和。

观察的 positronexcess 可能意味着沉重的黑暗物质 WIMP 粒子或在脉冲星的新机制 ofacceleration。通过对高能量质子比和正电子分数测量反质子，AMS 具有潜力，棚上的这些观察到的特征渊源，无论是从外来来源这种暗物质粒子或其他天体物理学的来源，如脉冲星。

精确测量的宇宙射线组件正在执行和将允许更好的 tuningof 描述了星际介质和传播 ofCosmic 参数光线穿越银河系。

AMS 将继续使命，直到国际空间站将操作︰ 它将几十年宇宙射线天文台。

引用

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