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 TRD TOF Tracker RICH ECAL e+ p 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 4 4

需要定量、精准理解背后的物理 开启了精确宇宙线研究

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 观测=注入+传播

银河系宇宙线传播 带电粒子在银河系磁场中以扩散方式传播，传播方程为 对流 碰撞 源 扩散 重加速 能量损失 衰变 柱对称银河系结构

传播过程 源  e+ 射 线 Sec/prim 将敏感地依赖于传播模型， 所以常被用于决定模型参量．B/C, 10Be/9Be 是目前测量得最好的． 传播过程 宇宙线粒子传播 源  射 线 e+

第一步，我们用宇宙线数据，用MCMC的方法拟合传播参数，在下面拟合AMS02、Fermi的电子谱的时候，固定这些传播的参数。 1，物理上传播是独立的，不应用电子的数据去拟合传播参数。 2，精度相差非常多，会使得传播参数完全不合理。 Lin, Cai, Yuan, Bi 2013

J.Liu, Q. Yuan, X-J Bi, H. Li, and X. Zhang, PRD85, 043507, 2012 DM can explain both the positron excesses and total spectrum; but it is not better than astrophysical explanation. To clarify the situation more precise data are necessary.

Bkg+pulsar (or DM)拟合数据 源 + 传播 = 观测 Bkg+pulsar (or DM)拟合数据 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

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 暗物质湮灭

It seems pulsar can fit data roughly. However, the χ2/dof=1 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

F ~ E-Γ Fermi data has systematic errors? Fermi has a 5%-10% uncertainty of absolute energy scale, this induce a 10~20% in flux F ~ E-Γ We give other two simulations: include the Fermi/HESS systematic errors; not include Fermi data at all.

宇宙线中的电子加正电子能谱 与以往实验的比较 AMS-02重要结果： 以前的实验结果是错误的 流量 x E3 (s sr m2 GeV)-1 能量(GeV)

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, 1304.1482 See also, Jin, Wu, Zhou, 1304.1997 Cholis, 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 Cholis &Hooper Feng yang et al.

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。