基于暗物质粒子探测卫星BGO量能器的核素能量重建研究

Cosmic ray physics is a frontier field of particle physics and Astronomy. A Chinese satellite-borne experiment, named the DArk Matter Particle Explorer (DAMPE), was launched in the end of 2015. The major scientific objectives of the DAMPE mission are observing primary cosmic ray electrons, nucleons and gamma rays. This application focuses on the measurement of the nucleon energy spectrum of the DAMPE experiment, and proposes a method to reconstruct the nucleon energy for the DAMPE detector. This project intends to study nucleon energy response systematically in different incident conditions with beam test data and Monte Carlo simulation, then obtains the methods of energy reconstruction and event selection. Moreover, the MIPs events of nucleon will also be investigated to do calibration of the DAMPE calorimeter and ensure the reliability of energy reconstruction.

宇宙线物理是当前粒子物理与天文学的交叉前沿领域，在国际上日益引起人们的关注。暗物质粒子探测卫星（DAMPE）是中国的高能宇宙线直接探测实验，它搭载在卫星平台上，在轨探测原初宇宙射线中的电子、光子和核素。本项目着眼于DAMPE实验的空间核素能谱的测量，提出适用于DAMPE探测器的核素能量重建方法的研究。本项目拟利用束流实验与蒙特卡洛模拟相结合的方法，系统性地研究核素在不同探测能段、不同入射情况的能量沉积响应，得到核素能量重建和事例选择的方法。同时，利用空间核素的MIPs粒子研究DAMPE量能器的能量标定和验证，保证能量重建的准确性和可信度，为物理结果的产生夯实基础。

暗物质粒子探测卫星（DAMPE）是我国首个的高能宇宙线直接探测实验，自2015年发射之后一直正常在轨运行至今，它的重要物理目标之一为通过测量原初宇宙射线核素的能谱，来研究宇宙线的起源、传播和加速机制。对于DAMPE这类基于量能器宇宙线直接探测实验，核素的能量测量一直是重要的难点，主要由于：（1）核素在量能器中发生强子簇射具有涨落大的特点，很难逐事例修正；（2）在感兴趣的能区，蒙卡模拟中应用的物理过程对强子簇射的描述不完善；（3）在轨运行的实验缺少单能的源进行能量标定。本项目着眼于DAMPE实验的宇宙线核素的能量测量，针对上述重点、难点进行了研究。.首先，本项目根据宇宙线核素空间分布各向同性的特点，建立了一套基于重建径迹的在轨核素事例选择方法，并得到有效接收度指标，对于碳核素的典型的接收度约为0.05 Sr*m2。其次，本项目利用束流实验与蒙特卡洛模拟，研究了Z=2~18核素的能量沉积响应，与Geant4中内置的两种常用物理模型QGSP_FTFP_BERT与FTFP_BERT的进行对比，结果显示对于不同种类核素的与不同蒙卡模型的符合程度在1% ~ 6%。根据蒙特卡洛生成的能量响应矩阵，本项目采用反卷积（unfolding）的方法从统计上重建了核素的能谱。最后，本项目利用宇宙线核素的MIPs能谱及地磁截断谱检验DAMPE量能器的能量标定和重建，证明了不同探测单元之间的能量重建差异在1%以内，单个探测单元的长时间能量重建稳定性优于2%，保证了能量重建的准确性和可信度。.本项目基本解决了DAMPE实验的在轨核素事例选择方法、能量重建方法、能量重建检验等关键问题，为目前DAMPE合作组的工作重心：氦、硼、碳、氮、氧等核素通量测量，提供了重要的研究基础。