AMS-02结果及其物理解释

毕效军

中国科学院高能物理研究所

中国科技大学交叉学科理论中心2013-7-11

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

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AMS02是国际空间站上唯一大型科学实验，将长期在轨运行

AMS

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

Trac

ker

e+

e+

p

p

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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

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宇宙线的发现

1912年，奥地利物理学家赫斯(Hess)通过气球实验发现这种来自地球外的“辐射”。

赫斯 在5350多米的高空中，通过6小时飞行，测得高空空气的电离率是地面的2倍。说明这种电离是由地球外边的“辐射”（宇宙线）所致。

1936年获得诺贝尔物理学奖中国科技大学交叉学科理论中心 2013-7-11

宇宙线的产生和传播

源 + 传播 = 观测

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传播过程

宇宙线粒子传播

Sec/prim 将敏感地依赖于传播模型，所以常被用于决定模型参量．B/C, 10Be/9Be 是目前测量得最好的．

γ射线

e+

p

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源

J.Liu, Q. Yuan, X-J Bi, H. Li, and X. Zhang, PRD85, 043507, 2012

DM can explain both the positron excesses and total spectrum; but it is not better than astrophysical explanation. To clarify the situation more precise data are necessary.

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第一步，我们用宇宙线数据，用MCMC的方法拟合传播参数，在下面拟合AMS02、Fermi的电子谱的时候，固定这些传播的参数。

1，物理上传播是独立的，不应用电子的数据去拟合传播参数。2，精度相差非常多，会使得传播参数完全不合理。

Lin, Cai, Yuan, Bi 2013

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Bkg+pulsar (or DM)拟合数据

1，MCMC在参数区间撒点，输入Galprop传播，拟合观测数据（Galprop中加入DM/pulsar的成分，结合MCMC程序）

2，对于质子能谱，两种处理方案：1，单独拟合；2，和电子一起拟合。

源 + 传播 = 观测

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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

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• 脉冲星

• 暗物质湮灭

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

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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

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Fermi data has systematic errors?

Fermi has a 5%-10% uncertainty of absolute energy scale, this induce a 10~20% in flux

We give other two simulations: include the Fermi/HESS systematic errors; not include Fermi data at all.

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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

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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

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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

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WW bb

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伽玛射线和反质子的限制

Yuan, Bi, Chen, Guo, Lin, Zhang, 1304.1482See also, Jin, Wu, Zhou, 1304.1997Cholis, Hooper, 1840

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AMS02数据

• 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

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本底系统误差的理解

• 传播系数（PAMELA数据的拟合）

• 相互作用（m=500GeV -> 600GeV）

• 有break的能谱能够拟合数据

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改变电子本底谱

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Yuan, Q., Zhang, B, Bi, XJ PRD 84 (2011) 043002

Feng yang et al.Cholis &Hooper

到pulsar的结果

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暗物质到mu和tau

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Chi2大大减小到~1，这时可以很好拟合数据

结论

• AMS02的数据与Fermi电子谱结果有tension• Pulsar/DM(tau)均可完美解释AMS数据，不可分

• 对本底的理解要求非常的精确，可能定出不同的新物理参数；因而，必须要准确理解本底

• 对暗物质的限制越来越严格；什么办法可以回避？

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