【摘 要】
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近一个世纪的天文观测,使暗物质成为了现代基础物理学的一个重要问题。虽然有众多的观测支持,但几乎所有关于暗物质存在的证据都来自引力效应。人们提出了很多暗物质的理论猜想,但对暗物质的确切认知接近空白。为了找寻暗物质,回答暗物质究竟是什么这个问题,粒子物理学家尝试在地下低本底环境探测暗物质与普通物质发生相互作用的信号,在加速器上找寻人工产生暗物质粒子的迹象,在宇宙线中找寻暗物质粒子的湮没产物。随着暗物质
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近一个世纪的天文观测,使暗物质成为了现代基础物理学的一个重要问题。虽然有众多的观测支持,但几乎所有关于暗物质存在的证据都来自引力效应。人们提出了很多暗物质的理论猜想,但对暗物质的确切认知接近空白。为了找寻暗物质,回答暗物质究竟是什么这个问题,粒子物理学家尝试在地下低本底环境探测暗物质与普通物质发生相互作用的信号,在加速器上找寻人工产生暗物质粒子的迹象,在宇宙线中找寻暗物质粒子的湮没产物。随着暗物质粒子探测卫星(DArk Matter Particle Explorer,DAMPE)的成功发射,中国正式加入了空间实验上寻找暗物质信号的行列。DAMPE的首要科学目标是测量宇宙线电子能谱、伽马射线能谱,以期找到由暗物质粒子产生的信号。同时,DAMPE还着眼于通过观测宇宙线来研究宇宙线物理,并开展伽马射线天文学的研究等。因为DAMPE在谱仪设计上不具备区分正负电荷的能力,最初没有考虑对宇宙线正负电子作单独观测。而本论文主要围绕DAMPE在轨数据中的地磁效应展开研究,尝试开展有关暗物质寻找的宇宙线正负电子单独能谱测量,以拓宽DAMPE的研究目标。在轨实验中,由于缺少对能量值有较好认知的粒子源,在较高能区对于量能器能量测量的检验一直是个较难的问题。本文首先基于地磁场的特征和相关模型描述,着眼于地磁场对低能宇宙线造成的能量“截断”现象,考虑利用“截断”这一特征结构对DAMPE量能器的能量测量进行检验。文中详细地介绍了对于宇宙线与地磁场之间相互作用过程的数值模拟方法,并利用“截断”附近能量的粒子,将由数值模拟给出的在量能器中的能量沉积行为与实验数据比较,研究了量能器在能量测量时的响应,并给出了总沉积能量最高在~100 GeV的测量不准确度,将之前已有研究方法的能量检验上限提高了数倍。在该方法的误差内,BGO量能器对于地磁截断的能量测量与模型计算值吻合较好。在上述工作的技术方法基础上,研究利用地磁场实现正负电子各自的单独测量。由于地磁场对宇宙线正负电子的偏转效应不同,在探测器视角下,东边会有一片方向只有电子能够飞来,而西边有一片方向只有正电子能够入射到探测器。基于刚才介绍的数值模拟方法,模拟得到正负电子在探测器视角下的飞行来向,确定对应不同能量时正负电子的“地平线”,在进行对应能区优化的质子本底扣除后,成功区分出了正电子与负电子。受限于目前的卫星观测模式与可视张角,最高只能区分~20 GeV的正负电子,因此本论文虽然给出了这一段能区的通量能谱以及“正电子比例”的初步测量结果,但侧重的是方法性的研究。针对当前模式下观测视场的受限问题,本文还通过对卫星倾斜观测下正负电子来向的模拟,探讨了卫星视角在保持向西倾斜60°的条件下,DAMPE对于更高能正电子的观测能力,并与Fermi-LAT之前发表的正电子能谱进行了比较。结果显示,受限于地磁场强度,本文所讨论的方法最高能测量到~200 GeV的正电子,而DAMPE在大约倾斜观测4年之后,能够取得与Fermi-LAT在统计量上相当的观测结果。本论文介绍的工作,首次利用宇宙线核素的地磁截断能标研究量能器的响应,相比目前已有的方法,提高了能量检验的上限,为在轨宇宙线观测实验进行能量测量的检验提供了新思路;利用地磁场进行正负电子的单独观测,拓展了DAMPE的研究方法和内容,为未来DAMPE可能的倾斜观测,或其它在轨的非磁谱仪实验,提供了开展正负电子单独测量的参考。
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