利用DAMPE谱仪开展空间正电子、反质子能谱的研究

Search for Dark Matter has been one of the most interesting topics in the field of particle physics for years. Among these searches, measurements of high energy spatial election and positron energy spectra is a competitive area, which has made significant achievements with recent developments on spatial particle detection. Yet the question on the existence of dark matter remains unsettled. To answer this question, China’s Dark Matter exploration satellite, DAMPE, was set up to space at the end of 2015. Till now, DAMPE has been in stable operation for over 20 months and sending back loads of high quality cosmic observation data. To fully exploit this dataset, this project is aimed at measuring election and positron energy spectra. By combining on-orbit simulation with experimental data, this research will try to develop these technical methods : extracting electron signals from massive hadron backgrounds, study on the “east to west” effect of the earth magnetic filed and discriminating position and electron with earth magnetic model and back tracing algorithm, study on the energy reconstruction and correction of hadrons and discriminating proton and anti-protons with “east to west” effect. With this project, we hope to fully exploit the potential of the DAMPE dataset and construct the electron and positron energy spectra, which will be an essential result for Dark Matter searches.

暗物质粒子探测是当今物理学的前沿课题。对空间高能正电子、反质子的能谱测量是研究该问题的一个热门方向，近年来随着空间粒子探测技术的发展取得了一系列重要的成果，然而暗物质存在与否仍然没有定论。我国的暗物质粒子探测卫星（DAMPE）就是瞄准暗物质探测这一前沿课题，于2015年年底成功发射升空，目前在轨稳定运行超过20个月，取得了大量的高质量宇宙线数据。为了充分发掘数据的潜力，本项目提出开展正电子、反质子能谱的测量。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：研究从海量强子本底中提取电子信号的方法；研究DAMPE轨道上地磁场的“东-西”效应，借助地磁场模型和“back tracing”算法进行正负电子的区分；研究强子能量重建、修正的算法，根据“东-西”效应对正反质子进行区分。通过本项目的研究，以进一步挖掘暗物质粒子探测卫星的数据，给出正电子、反质子能谱，为暗物质的研究提供科学数据。

我国暗物质粒子探测卫星（DAMPE）于2015年12月17日成功发射并正常取数，其瞄准暗物质这一国际前沿、热点课题开展研究。本项目基于DAMPE实验，提出深度挖掘DAMPE数据，借助地磁场开展正负电子、正反质子能谱的研究。主要取得了以下进展：.（1）.在DAMPE模拟软件框架下，结合地磁场模型，采用“back tracing”算法，跟踪不同电荷极性的粒子径迹，开展地磁场“东-西”效应的研究。并根据“东-西”效应，开展DAMPE对正负电子、正反质子区分的研究。同时开展了不同粒子（包括重核素）“地磁截断”的研究，把DAMPE在轨能量标定扩展到百GeV能区。这对于国际上同类探测器在轨标定有着很好的指导意义。.（2）.根据电磁簇射和强子簇射空间轮廓的不同，定义描述簇射行为的特征变量，开展粒子（电子、质子）鉴别研究。比较了经典方法与机器学习两种方法，都取得了优异的结果，电子、质子排斥比可以达到1/10^5。.（3）.模拟与实验相对照，并结合DAMPE地面高能粒子束流测试数据，开展质子（包括核素）的筛选方法、能量重建及修正方法的研究。研究发现BGO量能器对强子存在荧光猝灭效应，给出从质子到铁核素的荧光猝灭因子。并把该猝灭因子应用到DAMPE核素微分通量谱的分析中，给出更加精确的分析结果。.（4）.在以上研究的基础上，并结合以往的刻度、重建参数，比如物理接收度、曝光时间以及各种选择效率，分别给出了正负电子、正反质子谱的分析结果。扩展了DAMPE的科学目标。相关论文正在整理，等待发表。.以上工作也为DAMPE项目其他的科学产生打下了坚实的基础，合作组于2019年发表的质子微分通量谱，首次在轨直接观测到在13.6 TeV能区质子变软的现象，课题组为该结果做出了重要贡献。