Study of the AMS-02 results

Presentation on theme: "Study of the AMS-02 results"— Presentation transcript:

1 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， ~10

2 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, 08:56 AM

3 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

4 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

5 需要定量、精准理解背后的物理 开启了精确宇宙线研究

6 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

7 宇宙线的产生和传播 观测=注入+传播

8 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

9 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+

10 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

11 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.

12 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。

13 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

14 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

15 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,

16 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.

17 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)

18 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

19 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

20 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

21 WW bb

22 伽玛射线和反质子的限制 Yuan, Bi, Chen, Guo, Lin, Zhang, 1304.1482
See also, Jin, Wu, Zhou, Cholis, Hooper, 1840

23 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

24 改变电子本底谱 Yuan, Q., Zhang, B, Bi, XJ PRD 84 (2011) 043002 Cholis &Hooper
Feng yang et al.

25 用带拐折的电子本底拟合数据--- 到pulsar的结果
Yuan, Q., Bi, XJ, arXiv

26 暗物质到mu和tau

27 Chi2大大减小到~1，这时可以很好拟合数据

28 Interpret data with pulsars Yin et al. 1304. 4128
Index ~ 2, softer than before to fit PAMELA. Therefore larger total injection power.

29 We consider contributions from nearby pulsars and add contributions from all pulsars.

30 DM vs pulsar: flux anisotropy vs spectrum wiggles

31 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

32 Propagation uncertainties

33 Low energy data

34 不同的强相互作用模型

35 质子谱有（无）拐折

36 Different Galprop versions

37 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。