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

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

TRD

TOF

Tracker

TOFRICH

ECAL

e+

e+

p

p

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

Bkg+pulsar (or DM) 拟合数据源 + 传播 = 观测

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AMS-02 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

• 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

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

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

F ~ E-Γ

宇宙线中的电子加正电子能谱与以往实验的比较

流量

x E

3 (s s

r m

2

GeV

)-1

能量(GeV)

AMS-02重要结果：以前的实验结果是错误的

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, 1304.1482See also, Jin, Wu, Zhou, 1304.1997Cholis, 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 Yuan, Q., Zhang, B, Bi, XJ PRD 84 (2011) 043002

Feng yang et al.Cholis &Hooper

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。