利用地磁截断测量暗物质粒子探测卫星绝对能标的方法研究

DAMPE is a space-borne cosmic ray telescope satellite designed to measure electron, gamma and cosmic ray nuclei with high energy resolution and wide dynamic range, which was launched in December 2015. BGO calorimeter is the one of four sub-detectors for measuring energy of impacting particles. The absolute energy scale of BGO calorimeter is the real value of measured energy and accuracy of absolute energy scale determines quality of DAMPE’s scientific outputs. At present, the absolute energy scale was evaluated by simulated proton MIPs spectrum, which is not measured results and the MIPs of proton can only deposit 23MeV energy in BGO crystal. In this project, we plan to develop a method to measure absolute energy scale of DAMPE via ~10GeV geomagnetic cutoff on cosmic ray electron and positron spectrum. The cutoffs on cosmic ray electron and positron at several areas will be semi-calculated firstly according to DAMPE’s orbit. Then we will also measure cutoffs based on flight data of DAMPE. By directly comparing calculated geomagnetic cutoffs with DAMPE measured results, the estimation values on absolute energy scales of DAMPE were wished be measured with total uncertainty within energy resolution.

暗物质粒子探测卫星是一颗空间天基宇宙线粒子望远镜，设计用于高分辨、宽波段的测量宇宙线电子、伽马和重核，卫星于2015年12月发射，至今已在轨运行400余天。BGO量能器是暗物质卫星四个子探测器中唯一用于能量测量的探测器，其绝对能标是能量测量的绝对值，绝对能标的准确性决定了卫星科学产出的质量。当前，卫星绝对能标值由质子在BGO晶体中纯电离能损的模拟值决定，无真实测量值并且MIPs能标较低只有23MeV。本项目以宇宙线电子能谱在十几GeV区间的地磁截断这一强烈的特征为基准，来测量暗物质卫星的绝对能标。在研究中，项目将以暗物质卫星的轨道为参考，对不同轨道位置的地磁截断进行半解析的计算。同时还将利用卫星观测数据对地磁截断进行测量。通过比较地磁截断的计算值和测量值，有望将绝对能标的测量结果精确到卫星能量分辨的级别。

暗物质粒子探测卫星BGO量能器是唯一一个测量粒子能量的子探测器，其绝对能标对卫星科学成果具有重要意义。本项目利用地球磁场对银河宇宙线的截断效应测量了能量器的绝对能标。本项目首先开发了高效的宇宙线正负电子的选择方法，并且构建了用于低能宇宙线电子鉴别的算法，在保证电子效率90%的情况下，本底的污染率小于10%。在此基础上，利用卫星飞行数据在9个不同的McIlwain L值范围（磁纬度）测量了初级宇宙线电子的能谱测量，发现了在不同的L区间，随着能量减小，电子的流量逐渐升高，在某个能量（与L值相关）处，电子的流量急剧降低，而后又逐渐升高。流量降低的第一次降低是由于地磁截断原因造成了，而后进一步升高是次级电子的作用。其次，本项目还在地磁场模型IGRF-12,、轨道模拟、反向寻迹方法的基础上，模拟计算了宇宙正负电子在不同L区间的流量，发现了能量20GeV以下的宇宙线正负电子在DAMPE轨道上并不是各项同性的分布，还是存在东西效应，在此基础上，我们利用粒子在地理坐标系下的方位角，构建了原初电子与次级电子的方位角模板，并利用此模板，成功计算了飞行数据中原初宇宙线电子与次级电子的比例，最终在9个Lbin中测量了原初宇宙线正负电子的流量谱。与模拟计算的截止刚度进行对比，最终得到BGO能量器的绝对能标比模拟计算的结果高了1.1%±0.1%±0.09%，其中第一个误差为统计误差，第二个误差系统误差。除此之外，反向寻迹方法在应用进行了扩展，利用地平线的特征，研究了一套估算宇宙线正负电子比例的方法，然而由于目前卫星的观测模式处于一直处于巡天状态，使得正电子区域一直处于DAMPE卫星视场的边缘，不利用正电子样本的采集。待卫星运行末期，有可能采用的定点观测模式，这样宇宙线正电子的将有很大机会进入DAMPE的视场，届时可以通过定点观测的科学数据，对宇宙线正电子比例进行了测量。