暗物质粒子探测谱仪BGO量能器在轨刻度与数据重建的研究

Dark matter research is one of the most advanced frontiers in Physics nowadays. In recent years indirect dark matter research has seen a series of important achievements with the method of orbital measurement of space high energy cosmic rays. Yet the exact evidence of the existence of dark matter remains unobserved. The DArk Matter Particle Explorer (DAMPE) aims for this subject and was launched in Dec.17th, 2015. It is now receiving data as planned. The DAMPE is expected to make new progress in areas like dark matter research. To meet the special need of the orbital detector, this project is directed to use the combination of the on-orbit simulation and test data. It is mainly aimed to study the following subjects: the in-orbit energy reconstruction benchmark calibration of the BGO calorimeter's sensitive detectors, monitoring the temperature of the BGO calorimeter and applying temperature correction to data by reconstructing the temperature field, the particle identification and physical acceptance of the DAMPE and assessing the parameter precision of the BGO calorimeter through the reconstruction of the earth geomagnetic cutoff energy in electron spectra. With this project, the in-orbit performance and data reconstruction of the DAMPE BGO calorimeter would be thoroughly studied. Thus, the calorimeter would be able to generate reliable scientific analysis data and provide a solid foundation for the scientific achievenments of the DAMPE.

暗物质是当今物理学的最前沿课题之一，近年来借助在轨对空间高能宇宙射线测量的手段，以间接的方式寻找暗物质粒子的研究取得了一系列的重要成果。然而暗物质粒子存在的确切证据依然没有定论，我国暗物质粒子探测卫星（DAMPE）就是瞄准这一前沿课题，于2015年12月17日成功发射并正常取数，以期在暗物质观测等领域取得进展。针对DAMPE在轨观测这一特殊条件，本项目通过“在轨模拟”与实验相结合的手段，重点解决以下几个问题：研究BGO量能器各灵敏单元在轨能量重建基准的标定方法，并对BGO量能器的温度变化进行监测，重建温度场以对数据进行温度修正；同时对DAMPE的粒子鉴别方法、物理接收度等进行研究；最后对电子谱地磁截断能量进行重建，以评估BGO量能器各参数的刻度精度。通过本项目的研究，完成DAMPE BGO量能器在轨的性能标定与数据重建，给出可信、可靠的数据供科学分析。为DAMPE的科学产出提供坚实的基础。

我国暗物质粒子探测卫星（DAMPE）瞄准暗物质这一前沿课题开展研究，于2015年12月17日成功发射并正常取数，以期在暗物质观测等领域取得进展。本项目通过“在轨模拟”与实验相结合的手段，针对DAMPE核心子探测器BGO量能器的在轨性能进行标定。主要取得了以下进展：.（1）.BGO量能器各单元基本参数的标定及稳定性跟踪:引入“ATMNC3”产生子模拟真实在轨粒子环境，与实验相结合对量能器逐单元开展了MeV能区的能标标定；并引入地磁场效应，开展量能器对不同种类粒子（离子）“地磁截断”谱的重建，把标定能区扩展到百GeV能区，大大增加了量能器在高能区能量重建的可信度；.（2）.通过对DAMPE在轨温度变化的监测，提出平均一周开展一次能标标定，以消除量能器的温度效应，得到量能器在GeV能区能量重建的稳定性好于1%。.（3）.提出利用“物理接收度”代替“几何因子”概念，并借助蒙特卡洛抽样方法，开展DAMPE谱仪“接收度”的研究，得到其对电子的接收度为0.3 m2sr。.（4）.针对BGO晶体荧光指数衰减现象，开展60 cm长度BGO晶体的荧光衰减长度的标定，并根据这一参数开展位置修正，使得量能器各单元两端测量独立于粒子入射位置，得到两端能量测量不确定性达到约1%水平。.（5）.根据BGO量能器优秀的3D成像能力，提出利用机器学习方法开展粒子（电子、质子）鉴别工作，得到排斥比达到1/10^5水平。.以上工作为DAMPE科学产生打下了坚实的基础，合作组于2017年年底发表首个物理成果——高能电子谱，首次在轨直接观测到TeV能区的电子“拐折”现象，课题组作为独立分析小组之一，为该结果做出了突出贡献。