暗物质粒子探测卫星中塑料闪烁体阵列探测器的在轨标定和数据重建方法研究

Standard model of cosmology predicts that dark matter and dark energy take more than 95% of the energy in the universe that has never been directly detected. To study the nature of dark matter and dark energy is the most challenge topic in fields of cosmology, particle physics and field theory. This proposal mainly studies following topics about the on-orbit data of Plastic Scintillation array Detector (PSD) of The Dark matter Particle Explore (DAMPE): (1) All on-orbit data associated with PSD will be finely calibrated; (2) In order to maximize the role of PSD in DAMPE, the reconstruction algorithms of PSD data will be developed and optimized by using the measured quantities provided by DAMPE; (3) Digitalization of PSD simulation will be implemented in Geant4 environment and the detection efficiency and the systematic error of PSD measurements will be investigated in the complicated space environment. By combining data analysis results and Geant4 simulation, the element abundance in the cosmic ray will be measured. Meanwhile, the precise and reliable data will be provided for discovering the existence of the dark matter particle and pinning down the identity of dark matter particle.

宇宙学标准模型预言暗物质和暗能量占据了宇宙中能量的95%，但是它们尚未被直接的观测实验所证实。研究暗物质和暗能量的本质是当前宇宙学、粒子物理和场论研究中最具挑战性的课题。本项目以暗物质粒子探测卫星（DAMPE）中塑料闪烁体阵列探测器（PSD）的在轨观测数据为研究对象，主要开展一下方面的研究：(1) 完成PSD所有在轨数据的标定这一基础性的工作；(2) 充分利用DAMPE提供的测量信息来开发和优化PSD相关的数据重建算法，以最大限度的发挥PSD在DAMPE中的作用；(3) 用Geant4软件来精细地模拟PSD在太空环境中的响应和前段电子学系统对信号的处理过程，以得到探测效率和评估测量结果的误差。结合数据分析结果和模拟结果来完成宇宙射线中元素丰度的测量，并为发现暗物质粒子和确定暗物质粒子的身份提供准确、可靠的测量数据。

宇宙学标准模型预言暗物质和暗能量占据了宇宙中能量95%，但是它们尚未被直接的观 测实验所证实。研究暗物质和暗能量的本质是当前宇宙学、粒子物理和场论研究中最具挑战性的课题。本项目以暗物质粒子探测卫星（DAMPE）中塑料闪烁体阵列探测器（PSD）的在轨观测数据为研究对象，为DAMPE合作组提供高质量的PSD科学数据。总体上实现了本项目的研究目标。完成了任务书中所列的研究内容，具体包括：(1) 完成PSD相关的电子学线性、基线、打拿极线性、最小电离粒子（MIPs）标定、光衰减标定、能量标定、探测效率等标定算法的开发；（2）完成了PSD自发射到现在约5年在轨数据的标定； (3) 完成开发PSD电荷重建算法、径迹挑选算法、STK电荷重建算法、PSD猝灭效应修正等相关的重建算法；（4）完成了PSD相关的模拟和数字化的工作；（5）开展了宇宙射线质子流量数据分析工作。利用以上算法得到了于国际顶级实验（AMS02）相当的宇宙射线核素电荷测量结果；PSD电荷重建算法是DAMPE卫星实现不同核素鉴别的依据。 总之，项目完成的PSD研究内容是DAMPE卫星取得高质量宇宙射线核素空间流量测量、光子探测和暗物质研究不可或缺的工作。