AMS-02实验研究宇宙线电子和正电子的时变流强

作     者：王宇 

作者单位：山东大学 

学位级别：硕士

导师姓名：许伟伟

授予年度：2023年

学科分类：07[理学] 070202[理学-粒子物理与原子核物理] 0702[理学-物理学] 

主      题：阿尔法磁谱仪 电磁量能器 电子流强 正电子流强 太阳调制 

摘      要：阿尔法磁谱仪(AMS-02)是在国际空间站上运行的粒子物理探测器,具有接收度大、运行时间长、测量精度高等特点。AMS-02通过测量GeV到TeV的宇宙线成分与能谱,研究暗物质、反物质和宇宙线的起源,也可以通过长期测量宇宙线流强随时间的变化,为研究太阳调制相关的物理机制提供了新的实验信息。宇宙线正电子流强是研究暗物质的重要实验手段。低能量宇宙线正电子主要是宇宙线与星际介质碰撞产生的次级产物,高能量正电子可能来自于暗物质或脉冲星等新的天体物理过程。宇宙线进入日球层后受太阳活动影响,其流强随时间发生变化,即太阳调制效应。太阳调制过程中的漂移效应依赖电荷符号和太阳磁场极性,正电荷宇宙线和负电荷宇宙线的流强可能存在不同的时间变化。电子是宇宙线中丰度最高的负电荷粒子,正电子是丰度最高的反物质粒子。电子和正电子为一对正反粒子,二者质量相同、电荷符号相反。同时分别测量宇宙线电子和正电子,是研究太阳调制电荷符号相关性最直接的实验手段。本论文综合使用AMS-02的穿越辐射探测器(TRD)、硅微条径迹探测器(Tracker)、电磁量能器(ECAL)和飞行时间计数器(TOF)分别测量了宇宙线电子流强和正电子流强随时间的变化。通过分析AMS-02在2011年5月20日至2021年11月2日时间内收集的宇宙线数据,在[1.00-41.9]GeV能量范围内获得了 5.1 × 107个电子以及3.6 × 106个正电子,测量了每天的电子流强和每3天的正电子流强。世界范围内还没有正电 每3天流强的测量数据,宇宙线在被探测到之前必定会经过太阳系传播过程,测量宇宙线(正)电子小时间尺度的流强对于研究太阳调制与电荷、质量的关系都 关重要,为更加全 的理解太阳调制提供更加宝贵的实验数据,同时也是研究暗物质和宇宙线起源的重要步骤。本论文中的电子流强基于ECAL接收度测量得到,与AMS合作组发表的基于TRD接收度(即不要求宇宙线穿过ECAL)的结果符合,提供了独立的检验。电子流强表现出与质子流强完全不同的时间变化。正电子流强呈现出不同时间尺度的变化,其变化幅度随着能量的增加而减小。通过对比正电子流强与电子流强,发现它们具有不同的时间依赖性,在能量低于8.48GeV存在时滞现象(Hysteresis);当流强都发生强烈变化时,时滞曲线存在相对应的短期结构。正电子与质子具有相同的电荷、不同的质量。正电子流强和质子流强表现出相似的时间变化,2011年至2018年正电子和质子流强整体呈线性变化,2018年开始偏离线性。跨越一个11年太阳活动周期的宇宙线正电子、电子和质子流强的精确数据为完整理解基本粒子的太阳调制提供了可能。