Transcript Study of AMS

Study of the AMS-02 results
毕效军
中国科学院高能物理研究所
海峡两岸粒子物理与宇宙学研讨会，
太平湖轩辕国际大酒店，
2014-5-5~10
AMS02于2011年5月16日发射升空，5月19日安装到空间站上
开始物理取数。
STS-134 launch May 16, 2011 @ 08:56 AM
AMS02
AMS02由丁肇中教授领导，参加实验的科学工作者来自美
洲，欧洲和亚洲的16个国家（地区），共有60个大学或研究
机构，600多人，目前投资约15亿美元。
中科院电工所
中科院高能所
东南大学
上海交大
中山大学
山东大学
航天部一院
航天部五院
中央研究院
汉翔航空工业公司
中山科学研究院
中央大学
成功大学
交通大学
国家太空中心
p
AMS02是国际空间站上唯一大型科学实验，将长期在轨运
行
AMS
e+
AMS物理目标：暗物质寻找
AMS物理目标：寻找反物质
AMS物理目标：带电宇宙线的精确测量
Tracker
+
p e
开启了精确宇宙线研究
需要定量、精准理解背
后的物理
Global fitting to the AMS-02 data
• 正电子比在高于10GeV是上升的，这无法用
通常的宇宙线物理解释，需要额外的正电
子源，通常考虑脉冲星等天体源和暗物质
产生的源。
• 我们通过拟合AMS-02数据获得正电子起源
的信息，包括宇宙线本底的性质和额外源
（脉冲星或暗物质）的性质
宇宙线的产生和传播
源 + 传播 = 观测
Bkg+pulsar (or DM)拟合数据
拟合采用MCMC的方法，可以加快收敛速度。
宇宙线传播通过Galprop计算，输入以上参数，结果和AMS02的数据对比。
数据
• AMS02 正电子比
• PAMELA 电子谱，质子谱
• Fermi/HESS的总电子谱
两个源拟合三组数据
结合AMS02/Fermi-LAT测量得到的正负电子结果，考虑(连
续分布)脉冲星和暗物质作为额外正负电子源，利用
MCMC+GALPROP程序拟合数据
• 脉冲星
• 暗物质湮灭
It seems pulsar can fit data roughly. However, the χ2/dof=1.8; 6σ deviates from
expectaion. Fermi data is not consistent with the AMS02 data. We fit without including
the Fermi data. χ2/dof=52/80; perfect fit to data!
Yuan, Bi, Chen, Guo,
Lin, Zhang, 1304.1482
Fermi data has systematic errors?
Fermi has a 5%-10% uncertainty of absolute energy scale, this induce a 10~20% in flux
F ~ E-Γ
We give other two simulations: include the Fermi/HESS
systematic errors; not include Fermi data at all.
3 (s sr m
2 2 GeV)
-1 -1 3
E
流量
x
Flux (GeV m s sr) ´ E
宇宙线中的电子加正电子能谱
与以往实验的比较
400
350
300
250
AMS-02
ATIC01&02
BETS04
BETS97&98
CAPRICE94
Fermi-LAT
HEAT94
HEAT94&95
HEAT95
H.E.S.S.
H.E.S.S. (LE)
(2001 & 2003)
(2004)
(1997 & 1998)
(1994)
(2009)
(1994)
(1994 & 1995)
(1995)
(2004 -2007)
(2004 & 2005)
AMS-02重要结果：
以前的实验结果是错误的
200
150
100
50
0
1
10
102
能量(GeV)
3
10
Energy (GeV)
对暗物质，存在同样的问题（AMS02-Fermi），χ2/dof=3.3 ；
去掉Fermi后tau末态可以给出很好的拟合
拟合结果的总结：Fermi和AMS存在tension；不含
Fermi数据，pulsar/DM（tau）不能区分；到mu末
态的拟合要差
能谱分析：为什么暗物质拟合不好
暗物质湮灭产生的正电子
能谱太硬，难以拟合数据
WW
bb
伽玛射线和反质子的限制
Yuan, Bi, Chen, Guo, Lin, Zhang, 1304.1482
See also, Jin, Wu, Zhou, 1304.1997
Cholis, Hooper, 1840
AMS02数据拟合
• AMS-02的正电子比数据和Fermi的总谱数据有
tension
• 用天体起源的正负电子能够很好解释AMS02数
据
• 暗物质湮灭到tau, W, q末态也可以拟合AMS02
的数据，但受到其他观测（伽马射线、反质子
流强）的强烈限制
• 也许暗物质模型比我们想象的要更加复杂
改变电子本底谱
Feng yang et al.
Cholis &Hooper
Yuan, Q., Zhang, B, Bi, XJ PRD 84
(2011) 043002
用带拐折的电子本底拟合数据--到pulsar的结果
Yuan, Q., Bi, XJ, arXiv 1304.2687
暗物质到mu和tau
Chi2大大减小到~1，这时可以很好拟合数据
Interpret
data with
pulsars
Yin et al.
1304. 4128
Index ~ 2, softer than
before to fit PAMELA.
Therefore larger total
injection power.
We consider contributions from
nearby pulsars and add
contributions from all pulsars.
DM vs pulsar: flux anisotropy vs
spectrum wiggles
对拟合过程中系统误差的理解
• 传播系数（PAMELA
数据的拟合）
• 低能数据处理
• 相互作用模型
• 有break的能谱能够
拟合数据
Propagation uncertainties
Low energy data
不同的强相互作用模型
质子谱有（无）拐折
Different Galprop versions
结论
• AMS02实验为高能天体粒子物理研究开启了精确研
究的时代，我们可以开展定量研究
• AMS02的正电子比数据与Fermi电子谱结果有tension
• Pulsar/DM(tau)均可完美解释AMS数据，但暗物质受
到非常严格的限制；期望更多数据区分暗物质、天
体起源
• 对各种传播中的误差的系统研究表明，对于额外源
的性质基本可以确定，参数（如m_DM）的差异在2
倍的范围内。