基于暗物质粒子探测卫星的宇宙线原子核精确能谱测量与物理研究

The breakthrough in cosmic ray astrophysics is driven to a great extent by new cosmic ray detectors. Recently, cosmic ray detectors ATIC, CREAM, TRACER and PAMELA have found that at the energy range from several hundred GeV/n to several TeV/n the measured data differ from the results predicted by cosmic ray transport models. However, due to the large error bars in this energy range, one can not get determined conclusion. In order to clarify the existence of these exotic phenomena, we have lunched a new satellite DArk Matter Particle Explorer (DAMPE) with much more higher energy range and accuracy. In this project, we will analyze original data measured by DAMPE to derive accurate spectra of cosmic ray nuclei with the energy up to 100 TeV/n, and get the secondary-to-primary ratio ( e.g. B/C ratio), up to 10 TeV/n. Then we will investigate these spectra and secondary-to-primary ratio systematically from theoretical points of view. It is expected that we can make breakthroughs in the following aspects: (1) determine the accurate value of cosmic ray propagate parameters; (2) search for potential new structures in the 1-100 TeV/n energy range; (3) calibrate the Earth air-shower experiments; (4) construct a cosmic ray propagate model below 100 TeV/n.

宇宙线天体物理的突破性进展很大程度上是由新型宇宙线探测器推动的。新一代的宇宙线探测器ATIC、CREAM、TRACER 和 PAMELA的观测数据均显示在几百GeV/n－几TeV/n能量段存在与现有的宇宙线模型不一致的迹象。然而，由于该能段的能谱误差较大，还不能得到明确的结论。为了证实这些奇异现象是否存在，我国发射了探测能段更高、分辨率更好的暗物质粒子探测卫星。本项目将分析暗物质粒子探测卫星的原始数据，获得能量直到100 TeV/n的宇宙线原子核的精确能谱和能量直到10 TeV/n的次级/初级宇宙线之比 (如B/C比)，并对其进行系统的物理分析。通过本项目的研究我们有希望在以下几个方面取得突破：(1) 确定精确的宇宙线传播参数；(2) 寻找1-100 TeV/n能段可能的新结构；(3) 标定地球大气簇射实验；(4) 构建100 TeV/n以下宇宙线传播模型。

暗物质粒子探测卫星的主要科学目标之一便是测量从氢到铁的宇宙线原子核精确能谱。它具有电荷分辨高、能量分辨率好、能量覆盖范围宽等优点。本项目围绕暗物质粒子探测卫星的科学数据开展如下研究：(1)宇宙线原子核的径迹重建。我们把BGO量能器与硅微条探测器结合起来重建宇宙线原子核的径迹。但这样的径迹不止一条。我们利用径迹穿过的PSD的能量沉积和径迹上STK的信号大小挑选出最佳径迹。(2)宇宙线原子核的电荷重建。为了最大限度地发挥DAMPE的探测潜力，我们根据PSD的几何结构，把PSD看成四层探测器，每根PSD测量两个电荷值。为了实现这个目标我们对PSD进行了详细的标定，包括：对齐校正、光衰减修正、淬灭和平等化校正。经过校正我们得到了从H到Fe的高分辨电荷谱。(3)宇宙线原子核的能量重建。我们研究了BGO的荧光淬灭效应对宇宙线核素能量响应的修正，并做了BGO电子学饱和修正。(4)宇宙线原子核的绝对能谱。为了得到绝对能谱，我们计算得到了各种核素的几何因子、曝光时间、触发效率等因子。并通过与实验数据的对比进行了详细的误差分析。截止到2020年12月我们分析得到了H、He、C、O和Fe的能谱。(5)宇宙线原子核能谱的物理分析。最后，我们利用DAMPE的质子能谱和其他探测器的测量结果，对宇宙线的起源进行了物理分析。本项目的研究成果对宇宙线天体物理的发展具有重要价值。