Dark Ma'er Searches at AMS: Precision Measurement of - PowerPoint PPT Presentation

Dark ¡Ma'er ¡Searches ¡at ¡AMS: ¡ Precision ¡Measurement ¡of ¡Charged ¡Elementary ¡ Par=cles ¡in ¡the ¡Cosmos ¡ ¡ W. ¡Xu ¡/ ¡MIT ¡ ¡ ¡ on ¡behalf ¡of ¡AMS ¡Collabora6on ¡ LP2017, ¡ ¡SYSU, ¡GuangZhou, ¡Aug. ¡7-­‑12, ¡2017 ¡ ¡ 1 ¡

AMS ¡is ¡an ¡Interna=onal ¡Collabora=on ¡ 46 ¡Ins=tutes ¡from ¡15 ¡Countries ¡ FINLAND UNIV. OF TURKU RUSSIA ITEP KURCHATOV INST. NETHERLANDS GERMANY ESA-ESTEC RWTH-I. NIKHEF KIT - KARLSRUHE KOREA USA EWHA FRANCE MIT - CAMBRIDGE KYUNGPOOK NAT.UNIV. LUPM MONTPELLIER NASA GODDARD SPACE FLIGHT CENTER CHINA LAPP ANNECY NASA JOHNSON SPACE CENTER TURKEY CALT (Beijing) LPSC GRENOBLE UNIV. OF HAWAII METU, ANKARA IEE (Beijing) UNIV. OF MARYLAND - DEPT OF PHYSICS IHEP (Beijing) SWITZERLAND YALE UNIVERSITY - NEW HAVEN PORTUGAL NLAA (Beijing) ETH-ZURICH LAB. OF INSTRUM. LISBON SJTU (Shanghai) UNIV. OF GENEVA SEU (Nanjing) SPAIN SYSU (Guangzhou) SDU (Jinan) CIEMAT - MADRID I.A.C. CANARIAS. ITALY TAIWAN ASI ACAD. SINICA (Taipei) IROE FLORENCE CSIST (Taipei) INFN & UNIV. OF BOLOGNA MEXICO NCU (Chung Li) INFN & UNIV. OF MILANO-BICOCCA NCKU (Tainan) UNAM INFN & UNIV. OF PERUGIA INFN & UNIV. OF PISA INFN & UNIV. OF ROMA INFN & UNIV. OF TRENTO BRASIL IFSC ¡– ¡SÃO ¡CARLOS ¡INSTITUTE ¡OF ¡PHYSICS AMS ¡is ¡sponsored ¡by ¡US ¡DOE ¡and ¡NASA ¡ and ¡supported ¡by ¡many ¡funding ¡agencies ¡around ¡the ¡world ¡ 2 ¡

Three ¡independent ¡methods ¡to ¡search ¡for ¡Dark ¡Ma'er ¡ Annihila=on ¡ HESS, ¡HAWC, ¡VERITAS, ¡MAGIC, ¡IceCube, ¡… ¡ PAMELA, ¡FERMI, ¡CALET, ¡DAMPE, ¡AMS, ¡... 𝜓 ¡+ ¡ 𝜓 → ¡e + , ¡p, ¡ 𝛿 , ¡… ¡ CDEX ¡ CDMS ¡ p , p , e − , e + , γ χ CRESST ¡ Sca'ering ¡ DARKSIDE ¡ DEAP ¡ LUX ¡ PandaX ¡ χ p , p , e − , e + , γ PICO ¡ XENON ¡ … ¡ … ¡+ 𝜓 ¡+ ¡ 𝜓 ← ¡p ¡+p ¡ LHC ¡ Produc=on ¡ 3 ¡

Dark ¡Ma'er ¡Searches ¡at ¡AMS ¡ e + ¡and ¡p ¡are ¡rare ¡species ¡in ¡cosmic ¡rays ¡ The ¡collision ¡of ¡cosmic ¡rays ¡with ¡interstellar ¡medium(ISM) ¡ will ¡produce ¡e + ¡and ¡p ¡ p, ¡He ¡+ ¡ISM ¡ à ¡e + , ¡p ¡+ ¡… ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ χ χ χ χ χ χ ¡ ¡ ¡ χ χ p, ¡He ¡ χ AMS ¡ ISM ¡ e + , ¡p ¡ χ ¡+ ¡ χ ¡ → ¡e + , ¡p ¡+ ¡… ¡ M. ¡Turner ¡and ¡F. ¡Wilczek, ¡Phys. ¡Rev. ¡D42 ¡(1990) ¡1001; ¡J. ¡Ellis ¡26 th ¡ICRC ¡(1999) ¡ The ¡collision ¡of ¡dark ¡ma]er ¡par6cles ¡will ¡produce ¡ ¡ addi6onal ¡e + ¡and ¡p ¡ The ¡excess ¡of ¡e + ¡and ¡p ¡can ¡be ¡accurately ¡measured ¡by ¡AMS ¡ 4

Alpha ¡Magne=c ¡Spectrometer ¡ Transi=on ¡Radia=on ¡Detector ¡ Time ¡of ¡Flight ¡ ¡ e ± / p, ¡Z ¡ Z, ¡E ¡ 1 ¡ TRD ¡ ¡Magnet ¡ TOF ¡ 2 ¡ ±Z ¡ Silicon ¡Tracker ¡ 3-­‑4 ¡ ¡Z, ¡P, ¡Rigidity(R=P/Z) ¡ ¡ Tracker 5-­‑6 ¡ 7-­‑8 ¡ TOF ¡ RICH ¡ Ring ¡Imaging ¡Cherenkov ¡ ¡ 9 ¡ ¡Z, ¡E ¡ ECAL ¡ Electromagne=c ¡Calorimeter ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ e ± /p, ¡E ¡of ¡e ± ¡ ¡ The ¡Charge(Z) ¡and ¡Energy(E) ¡ ¡ are ¡measured ¡independently ¡ ¡ by ¡several ¡detectors ¡ ¡ Precise ¡iden<fica<on ¡of ¡par<cle ¡ ¡and ¡nuclei ¡species ¡ 5

Transi=on ¡Radia=on ¡Detector ¡(TRD) ¡ dE/dx ¡ proton ¡rejec6on e - p proton ¡rejec=on: ¡10 3 ¡to ¡10 4 6 ¡

Silicon ¡Tracker ¡and ¡Magnet ¡ 1 2 1.4 ¡kG ¡ 3 TRD 4 TOF Z=1 Data 5 MAGNET 6 7 8 TOF Single ¡point ¡resolu6on <σ> ¡= ¡10 ¡μm ¡ 9 RICH ECAL Maximum ¡Detectable ¡Rigidity(MDR) ¡ ¡ L1 ¡to ¡L9: ¡3 ¡m ¡level ¡arm ¡ 2.0 ¡TV ¡for ¡Z=1 ¡par=cles ¡ 7 ¡

Electromagne=c ¡Calorimeter ¡( ¡ECAL ¡) ¡ • 17 X 0 , 3D measurement of the directions and energies of e ± to TeV • Energy scale and resolution measured with test beam • Identify e ± by 3D shower shape • Proton rejection is above 10 4 with ECAL and Tracker 5 10 Proton Rejection σ (E) 10.6 ± 0.1 σ (E) 10.6 ± 0.1 +(1.25 ± 0.03)% +(1.25 ± 0.03)% = = 4 10 E E √ E √ E Energy ¡Resolu6on ¡ E = (10.4 σ E ⊕ 1.4)% 3 10 E proton ¡rejec=on ¡> ¡10 4 2 10 Test Beam Results 10 NIMA, ¡869 ¡(2017) ¡110–117 1 1 10 100 1000 Energy ¡[GeV] ¡ Momentum [GeV/c] 8 ¡

Detector ¡Calibra=on ¡and ¡Monte ¡Carlo ¡simula=on ¡ Detector ¡calibra=on ¡ Intensive ¡Test ¡Beam ¡@ ¡CERN: ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Par=cle ¡type: ¡ ¡p, ¡e ± , ¡π ± ¡ ¡Energy ¡ ¡ ¡(10−400 ¡GeV) ¡ ¡Posi=on ¡(2000) ¡ Monte ¡Carlo ¡simula=on ¡ Monte ¡Carlo ¡simula=on: ¡ 1. Interac=ons ¡(physics ¡and ¡materials) ¡ ¡ 2. Digi=za=on ¡(electronics) ¡ 10,000 ¡CPU ¡cores ¡at ¡CERN ¡ Results ¡in ¡data-­‑like ¡events ¡ + ¡regional ¡centers ¡ 9 ¡

In 6 years AMS has collected over 100 billion events. May ¡24, ¡2017 ¡ AMS will continue to collect data in the life time of ISS (2024) 10 ¡

Positron ¡and ¡electron ¡selec=on ¡in ¡AMS ¡ Redundant ¡par=cle ¡iden=fica=on ¡using ¡TRD, ¡ECAL ¡and ¡Tracker ¡ ¡ 10 ¡< ¡E ¡<500 ¡GeV ¡ e -­‑ ¡ e + ¡ ECAL ¡es=mator ¡ p ¡ p ¡ Z(±1) ¡x ¡TRD ¡es=mator ¡ 11 ¡

Positron ¡and ¡electron ¡measurement ¡in ¡AMS ¡ • The ¡number ¡of ¡positrons ¡and ¡electrons ¡are ¡determined ¡from ¡a ¡template ¡fit ¡in ¡ TRD ¡-­‑ ¡Charge ¡Confusion ¡Es=mator ¡2D ¡phase ¡space ¡ • The ¡e + ¡and ¡proton ¡template ¡are ¡obtained ¡from ¡high ¡purity ¡e -­‑ , ¡proton ¡data ¡ • Charge ¡confusion ¡studied ¡using ¡e -­‑ ¡test ¡beam ¡and ¡MC ¡ Fit ¡to ¡Data, ¡Posi=ve ¡Rigidity, ¡151-­‑173 ¡GeV ¡ Positron ¡ Positron ¡ Proton ¡ e -­‑ ¡-­‑> ¡e + ¡ Proton ¡ e -­‑ ¡-­‑> ¡e + ¡ 12 ¡

The rise of the positron fraction was first observed by HEAT, confirmed by PAMELA. The maximum of the positron fraction was discovered by AMS. Positron fraction 2013 ¡ 2012 ¡ 2013 ¡ 2007 ¡ 2004 ¡ 2001 ¡ 2000 ¡ 1996 ¡ 13 ¡

Positron ¡Frac=on: ¡5 ¡years ¡data ¡ 0.2 Positron Fraction Preliminary ¡results ¡ 0.18 Please ¡refer ¡to ¡forthcoming ¡publica=on ¡on ¡PRL ¡ 0.16 0.14 0.12 0.1 0.08 0.06 Maximum ¡ 0.04 265 ¡± ¡22 ¡GeV ¡ e ± energy [GeV] 0.02 0 2 3 10 10 1 10 0.002 Zero ¡crossing ¡ Slope [GeV -1 ] 265 ¡± ¡22 ¡GeV ¡ 0.001 0 -0.001 -0.002 2 10 10 14 ¡

Electron and Positron spectra before AMS 1. These ¡were ¡the ¡best ¡data. ¡ 2. Nonetheless, ¡the ¡data ¡have ¡large ¡errors ¡and ¡are ¡inconsistent. ¡ 3. The ¡data ¡has ¡created ¡many ¡theore6cal ¡specula6ons. ¡ Positron Spectrum Electron Spectrum E 3 ¡Flux ¡[GeV 3 /(s ¡sr ¡m 2 ¡GeV)] ¡ 15 ¡ 15

Electron ¡and ¡positron ¡fluxes ¡ ] ] Preliminary ¡results ¡ 2 2 GV GV 250 25 Please ¡refer ¡to ¡forthcoming ¡publica=on ¡on ¡PRL ¡ ⋅ ⋅ -1 -1 16,500,000 ¡ s s 200 20 electrons ¡ ⋅ ⋅ -1 -1 sr sr ⋅ ⋅ 150 15 -2 -2 [m [m 3 3 E E ~ ~ 1,080,000 ¡ 100 10 positrons ¡ × × - + e e Φ Φ 50 5 Energy ¡[GeV] ¡ 0 0 3 2 10 10 1 10 The ¡electron ¡flux ¡and ¡positron ¡flux ¡are ¡different ¡in ¡amplitude ¡and ¡energy ¡behavior. ¡ • Both ¡spectra ¡change ¡behavior ¡at ¡~30GeV ¡ • Rise ¡of ¡positron ¡frac=on ¡from ¡~10GeV ¡is ¡due ¡to ¡an ¡excess ¡of ¡positron ¡ • 16 ¡

The ¡Electron ¡and ¡Positron ¡spectral ¡indices ¡ ¡ Tradi6onally, ¡the ¡spectrum ¡of ¡cosmic ¡rays ¡is ¡characterized ¡by ¡a ¡single ¡power ¡law ¡func6on ¡ ¡ Φ = CE γ where ¡ γ ¡is ¡the ¡spectral ¡index ¡and ¡E ¡ is ¡the ¡energy. ¡ ¡ Before ¡AMS, ¡ γ ¡ ¡was ¡assumed ¡to ¡be ¡ constant ¡ for ¡the ¡electron ¡and ¡positron ¡spectra. ¡ -2.2 Spectral Index Preliminary Data. Please refer to the AMS -2.4 forthcoming publication in PRL. -2.6 Positrons ¡ -2.8 -3 -3.2 Electrons ¡ -3.4 -3.6 10 Energy [GeV] -3.8 2 3 10 10 10 Energy [GeV] Electron ¡and ¡Positron ¡Fluxes ¡becomes ¡harder ¡at ¡high ¡energy ¡ Addi=onal ¡source ¡of ¡cosmic ¡ray ¡positron ¡and ¡electron ¡ 17 ¡