An#proton Flux and An#proton-to-Proton Flux Ra#o in - - PowerPoint PPT Presentation

An#proton ¡Flux ¡and ¡An#proton-­‑to-­‑Proton ¡Flux ¡Ra#o ¡ ¡in ¡Primary ¡Cosmic ¡Rays ¡ ¡ Measured ¡with ¡the ¡AMS ¡on ¡ISS ¡

¡

Weiwei ¡Xu ¡/ ¡MIT ¡ 35th ¡ICRC, ¡12-­‑20 ¡July, ¡2017, ¡Busan, ¡Korea ¡

¡

p, ¡He ¡+ ¡ISM ¡à ¡p ¡+ ¡… ¡

χ ¡+ ¡χ ¡→ ¡p ¡+ ¡… ¡

AMS ¡

χ ¡ χ ¡ χ ¡ χ ¡ χ ¡ χ ¡ χ ¡ χ ¡ χ ¡

p, ¡He ¡ p ¡

ISM ¡

Dark ¡Ma@er ¡Search ¡at ¡AMS ¡

The ¡collision ¡of ¡cosmic ¡rays ¡with ¡interstellar ¡medium(ISM) ¡ will ¡produce ¡p ¡ The ¡collision ¡of ¡dark ¡ma@er ¡par#cles ¡will ¡produce ¡addi#onal ¡p ¡

2

An#protons ¡in ¡the ¡Cosmos ¡

The ¡An#proton ¡Flux ¡is ¡~10-­‑4 ¡of ¡the ¡Proton ¡Flux. ¡ ¡ A ¡percentage ¡precision ¡experiment ¡requires ¡background ¡rejec#on ¡ close ¡to ¡1 ¡in ¡a ¡million ¡

3

The ¡excess ¡of ¡p ¡can ¡be ¡accurately ¡measured ¡by ¡AMS ¡

Kinetic energy [GeV] Antiproton / proton ratio

Donato et al., PRL 102, 071301 (2009)

Dark matter

10-4 10-5 10-6 10-7 10-3 10-2 1 10 100 1000 Dark matter +

Collision of cosmic rays with ISM

TRD ¡ TOF ¡ Tracker ¡ TOF ¡ RICH ¡ ECAL ¡

1 ¡

2 ¡

7-­‑8 ¡ 3-­‑4 ¡ 9 ¡ 5-­‑6 ¡

Transi#on ¡Radia#on ¡Detector ¡ p,p ¡/ ¡e± ¡ Silicon ¡Tracker ¡ ¡Z, ¡P, ¡Rigidity(=P/Z) ¡ Electromagne#c ¡Calorimeter ¡ ¡ E ¡of ¡e± ¡; ¡p,p ¡/ ¡e± ¡ Ring ¡Imaging ¡Cherenkov ¡ ¡ ¡Z, ¡E ¡ Time ¡of ¡Flight ¡ ¡ Z, ¡E ¡

¡The ¡Charge(Z), ¡Energy(E) ¡or ¡Rigidity(R=P/Z) ¡

are ¡measured ¡independently ¡ ¡ by ¡several ¡detectors ¡

¡

Precise ¡iden@fica@on ¡of ¡ ¡par@cle ¡and ¡nuclei ¡species ¡

Alpha ¡Magne#c ¡Spectrometer ¡

¡Magnet ¡ ±Z, ¡p/p ¡

4

1 5 6 3 4 7 8 9 2

TRD ECAL RICH

MAGNET

TOF TOF

Silicon ¡Tracker ¡and ¡Magnet ¡

Z=1 Data

Maximum ¡Detectable ¡Rigidity(MDR) ¡2.0 ¡TV ¡ ¡ for ¡Z=1 ¡par#cles ¡

1.4 ¡kG ¡ <σ> ¡= ¡10 ¡μm ¡

5 ¡

e- p

TRD estimator = -ln(Pe/(Pe+Pp))

Transi#on ¡Radia#on ¡Detector ¡(TRD) ¡

Electrons ¡ ¡ Protons ¡

TRD ¡Es#mator ¡∧TRD ¡

dE/dx ¡

p,p ¡ e± ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ p,p ¡ e± ¡ ¡ ¡

Proton ¡Rejec#on ¡ 103 ¡-­‑ ¡104 ¡

e± ¡ p,p ¡

6 ¡

One ¡of ¡ 20 ¡layers ¡

Intensity ∝ Z 2 Θ ∝ V

Radiator ¡ Detectors ¡ Reflector ¡

Velocity ¡resolu#on ¡ Velocity ¡resolu#on: ¡ ¡ Δβ/β ¡= ¡0.1% ¡ ¡ for ¡|Z|=1 ¡par#cles ¡

10880 ¡ Photosensors ¡

Z ¡

Ring ¡Imaging ¡Cherenkov ¡detector, ¡RICH ¡

7 ¡

Λ

×

sign(R)

• 2.5 -2 -1.5
• 1 -0.5

0.5 1 1.5 2 2.5

RICH

β

0.96 0.98 1.0 1 10

2

10

3

10

4

10

5

10

p p

• e

+

π

+

e

• π

TRD

(a)

Events

An#proton ¡iden#fica#on ¡at ¡intermediate ¡rigidity ¡

5.4<|R|<6.5 ¡GV ¡

¡ ¡ ¡ ¡

8 ¡

An#proton ¡iden#fica#on ¡at ¡high ¡rigidity ¡

Λ

T R D

Λ

C C

Λ

C C

Λ

T R D

0.5 − 0.5 1 0.5 1

Events

5 10 15

Fit

p

0.5 − 0.5 0.5 1

Events

10 15

Data

(b) (c)

5

• e

p

10 15 5 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡

p ¡

e ¡ p ¡ 175<|R|<211 ¡GV ¡

χ2/d.f. ¡= ¡138/154 ¡

In ¡4 ¡years, ¡>2200 ¡an#protons ¡above ¡100 ¡GV ¡

9 ¡

Systema#c ¡Errors ¡Study ¡

• Affect ¡the ¡an#proton ¡coun#ng ¡σΝ ¡
• Cutoff ¡ ¡
• Selecaon ¡
• Charge ¡confusion ¡templates ¡
• Affect ¡the ¡acceptance, σA ¡
• Inelas#c ¡cross ¡sec#ons ¡
• MC ¡staasac ¡fluctuaaon ¡
• Migraaon ¡matrix ¡
• Rigidity ¡scale, ¡σR ¡

We have collected data for 6 years In first 4 years, 3.49 x 105 antiprotons and 2.42 x 109 protons are selected in the rigidity range 1<|R|<450 GV More than 2200 antiprotons above 100 GV

10 ¡

Systema#c ¡error ¡from ¡charge ¡confusion ¡templates ¡

]

• 1

[ GV 400 1

• Rigidity

1

• 0.02
• 0.01

0.01 0.02 Events 10

2

10

3

10

4

10

5

10

6

10

400 GeV/c Test Beam Data 400 GeV/c Monte Carlo Simulation

Good ¡agreement ¡between ¡ data ¡and ¡MC ¡in ¡several ¡

• rders ¡of ¡magnitude ¡

The ¡minor ¡difference ¡between ¡MC ¡simula#on ¡and ¡data ¡is ¡ taken ¡as ¡the ¡associated ¡error. ¡

11 ¡

Systema#c ¡error ¡from ¡the ¡cross ¡sec#ons ¡uncertainty ¡

P(GeV/c) 1 10

2

10

3

10 [mb]

abs

σ +C p 200 300 400 500

Abrams(1971) Denisov(1973) Carroll(1979) Nakamura(1984) Cork(1957) Aihara(1981) Allaby(1970) +C absorption p

proton momentum [GeV/c]

• 1

10 1 10

2

10

3

10 p+C inelastic cross section [mb] 200 300 400 500

NA61 (2012) Denisov (1973) Bellettini (1965) Carroll (1979) Bowen (1958) Dubna-exp db data IHEP-exp db data Letaw (1983) GEANT 4-09-06

• Exp. Data compiled by J. Hoffman

p ¡ p ¡

The ¡inelas#c ¡cross ¡sec#ons ¡are ¡varied ¡within ¡the ¡error ¡band ¡to ¡obtain ¡the ¡ systema#c ¡error ¡on ¡the ¡effec#ve ¡acceptance ¡of ¡an#protons ¡and ¡protons ¡ ¡ ¡ The ¡inelas#c ¡cross ¡sec#on ¡are ¡used ¡in ¡MC ¡simula#on ¡to ¡calculate ¡the ¡ effec#ve ¡acceptance ¡

12 ¡ assigned ¡ model ¡error assigned ¡ model ¡error

|Rigidity| [GV] 1 2 3 4 5 10 20 30 100 200 Relative error [%] 5 10 15 20 25 30

R

σA σ

N

σ

syst

σ

stat

σ

Error ¡breakdown ¡

Sta#s#cal ¡error ¡(with ¡4 ¡years ¡data) ¡ dominantes ¡above ¡100 ¡GV ¡

24% ¡ 13% ¡ 12% ¡ 2% ¡ 2% ¡

13 ¡

Rigidity [GV]

2

10

3

10

10 1 10

]

1.7

GV

⋅

• 1

s

⋅

• 1

sr

⋅ ⋅

• 2

[m

2.7

R

Φ

ˇ

p p

3.49 ¡x ¡105 ¡an#protons ¡ ¡2.42 ¡x ¡109 ¡protons ¡

20 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡100 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡300 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡1000 ¡

14 ¡

104 3x103 Unexpected: ¡The ¡Spectra ¡of ¡Protons ¡and ¡An#protons: ¡

If ¡p ¡are ¡secondaries, ¡their ¡rigidity ¡dependence ¡should ¡be ¡different ¡than ¡p: ¡

¡

Unexpectedly ¡p ¡and ¡p ¡have ¡the ¡same ¡rigidity ¡dependence. ¡

p ¡+ ¡ISM ¡à ¡p ¡+ ¡… ¡

PRL ¡117, ¡091103 ¡(2016)

Rigidity [GV]

2

10

3

10

1 10 10

2

10

]

1.7

GV

⋅

• 1

s

⋅

• 1

sr

⋅ ⋅

• 2

[m

2.7

R

Φ

ˇ

e- e+

Unexpected: ¡The ¡Spectra ¡of ¡Electrons ¡and ¡Positrons: ¡ ¡ e-­‑ ¡and ¡e+ ¡have ¡very ¡different ¡rigidity ¡dependence ¡despite ¡the ¡fact ¡that ¡ they ¡lose ¡energy ¡equally ¡in ¡the ¡galac#c ¡magne#c ¡field. ¡ ¡

e+ e− ¡

|Rigidity| [GV]

PRL ¡113, ¡121102 ¡(2014)

15 ¡

Published ¡results ¡based ¡on ¡9.81 ¡million ¡electrons ¡and ¡positrons ¡ New ¡results ¡will ¡be ¡presented ¡by ¡Zhili ¡Weng ¡and ¡Zuhao ¡Li ¡

100 1000 ]

1.7

GV ⋅

• 1

s ⋅

• 1

sr ⋅

• 2

[m

2.7

R ⋅ Φ

4

10 1 10 1 10

Unexpected ¡results: ¡the ¡rigidity ¡dependence ¡of ¡of ¡e+, ¡p ¡, ¡p ¡ are ¡iden#cal ¡from ¡~60 ¡to ¡~500 ¡GV ¡ Not ¡expected ¡from ¡pure ¡secondary ¡produc#on ¡ ¡

20 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡300 ¡ ¡ |Rigidity| ¡[GV] ¡ e+

p p

3x103 ¡

16 ¡

100 1000 ]

1.7

GV ⋅

• 1

s ⋅

• 1

sr ⋅

• 2

[m

2.7

R ⋅ Φ

4

10 1 10 10

2

10 1 10

Unexpected ¡results: ¡the ¡rigidity ¡dependence ¡of ¡of ¡e+, ¡p ¡, ¡p ¡ are ¡iden#cal ¡from ¡~60 ¡to ¡~500 ¡GV ¡ e− ¡has ¡a ¡different ¡rigidity ¡dependence ¡

3x103 ¡

e− ¡ e+

p p

|Rigidity| ¡[GV] ¡ 20 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡300 ¡ ¡

17 ¡

|Rigidity| [GV] 50 100 150 200 250 300 350

ratio

p

Φ /

p

Φ

5 −

10

4 −

10

An#proton-­‑to-­‑Proton ¡Flux ¡Ra#o ¡ Show ¡no ¡rigidity ¡dependence ¡above ¡60 ¡GV ¡

Fit ¡to ¡a ¡straight ¡line: ¡Raao ¡= ¡k ¡(|R|-­‑R0 ¡) ¡+ ¡C ¡ Yields ¡k ¡= ¡( ¡-­‑0.7 ¡± ¡0.9 ¡) ¡x ¡10-­‑7 ¡GV-­‑1 ¡ k ¡is ¡consistent ¡with ¡0 ¡

|Rigidity| ¡[GV] ¡

18 ¡

|Rigidity| [GV] 100 200 300 400 500 /p ratio p

5 −

10

4 −

10 AMS-02 Dark Matter Collisions of ordinary cosmic rays Models ¡from ¡

• F. ¡Donato ¡et ¡al., ¡PRL ¡102, ¡071301 ¡(2009); ¡ ¡mχ = 1 TeV ¡ ¡ ¡ ¡ ¡

AMS ¡an#proton ¡results ¡and ¡modeling ¡

19 ¡

G.Giesen, ¡et. ¡al., ¡ ¡ JCAP ¡09 ¡(2015) ¡023 ¡

Recent ¡models ¡of ¡an#proton ¡produc#on ¡

Ek

2Flux (GeV m-2 s-1 sr-1)

Ek (GeV) bkg dm AMS-02 10-4 10-3 10-2 10-1 100 101 10-1 100 101 102 103

M.Y. ¡Cui, ¡et. ¡al. ¡

• Phys. ¡Rev. ¡LeE. ¡118, ¡191101 ¡

(2017) ¡

Dark ¡ma@er ¡ mass ¡~50 ¡GeV ¡

Dark ¡ma@er ¡contribu#on ¡to ¡explain ¡ the ¡an#proton ¡excess ¡around ¡20 ¡GV ¡

The ¡precision ¡and ¡comprehensive ¡data ¡from ¡AMS ¡allows ¡for ¡ ¡ the ¡explora#on ¡of ¡new ¡phenomena ¡ ¡

20 ¡

From ¡collision ¡of ¡cosmic ¡rays ¡with ¡ interstellar ¡medium ¡

• ne ¡example ¡of ¡many ¡excellent ¡papers:
• ne ¡example ¡of ¡many ¡excellent ¡papers:

Measuring ¡an#proton ¡through ¡the ¡life ¡#me ¡of ¡Space ¡Sta#on ¡ By ¡collec#ng ¡more ¡data, ¡ ¡ AMS ¡will ¡explore ¡to ¡higher ¡rigidity ¡with ¡be@er ¡accuracy ¡

|Rigidity| [GV]

100 200 300 400 500

p/p ratio

• 5

10

• 4

10

MC ¡simula#on ¡ 2024: ¡Extend ¡measurement ¡to ¡525 ¡GV ¡

21 ¡

Summary ¡

• AMS ¡has ¡collected ¡data ¡for ¡more ¡than ¡6 ¡years. ¡ ¡With ¡

the ¡first ¡four ¡years ¡data, ¡3.49 ¡x ¡105 ¡an#protons ¡and ¡2.42 ¡ x ¡109 ¡protons ¡has ¡been ¡analyzed ¡from ¡1 ¡GV ¡to ¡450 ¡GV ¡

• The ¡an#proton, ¡proton ¡and ¡positron ¡flux ¡show ¡iden#cal ¡

rigidity ¡dependence ¡in ¡60-­‑500 ¡GV ¡

• We ¡will ¡collect ¡more ¡data ¡through ¡the ¡life ¡#me ¡of ¡Space ¡

Sta#on, ¡to ¡increase ¡the ¡precision ¡and ¡further ¡explore ¡ the ¡high ¡rigidity ¡region ¡

22 ¡