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暗物质多信使间接探测与DAMPE数据分析

崔明阳  
【摘要】:暗物质粒子的本质是物理学二十一世纪最重大的前沿问题之一。本论文主要从两个方面开展暗物质相关的研究。一是暗物质间接探测的理论研究,包括暗物质自相互作用模型的伽玛射线的空间分布及AMS-02的反质子能谱中可能的暗物质信号的搜寻。二是暗物质粒子探测卫星(DAMPE,悟空号)数据处理的相关研究,主要包括电子/强子的分辨和对探测器的Fluka模拟。第一章中我们综述了暗物质的基本知识及研究进展,并扼要的介绍了我国在暗物质间接探测方面的主要实验设备—悟空号。第二章中我们在AMS-02的反质子数据中寻找暗物质湮灭的信号。理论上可以预期在很多的模型中暗物质粒子的湮灭或衰变可以产生反质子,所以通过对宇宙线反质子的测量,可以比较好地限制暗物质粒子模型。宇宙线中也存在背景反质子,主要是由宇宙线质子与星际介质碰撞产生的,其流量可以通过宇宙线传播模型来计算。我们通过AMS-02对宇宙线硼碳比和质子谱的最新测量精确地限制了宇宙线传播、源注入以及太阳调制参数,从而也得到了对背景反质子流量最为精确的估计。和AMS-02反质子测量数据比较我们发现背景模型并不能很好地拟合数据,加入一个暗物质成分后可以显著改善拟合结果。该暗物质的质量约为60-100GeV,速度平均后的湮灭截面约为(1~4)× 10-2 cm3s-1。这些参数也可以自洽地解释银河系中心伽玛射线的超出和在矮椭球星系Reticulum 2和Tucana Ⅲ方向观测到的微弱GeV伽玛射线辐射。一旦该结果被后续研究证实,将是暗物质间接探测方面的突破性进展。第三章中我们研究了暗物质自相互作用模型下银心GeV伽玛射线的空间分布。费米卫星发现的银河系中心伽玛射线在GeV能段的超出(银心GeV超)是一个广受关注的暗物质疑似信号。一种暗物质自相互作用模型(SIDM),在满足AMS-02电子谱和正负电子比的限制的情况下,利用暗物质湮灭产生的正负电子在银河系中的传播产生的逆康普顿散射来解释银心GeV超。由于正负电子主要与星光场相互作用发生逆康普顿散射,而矮星系的星光场和气体密度都很低,因此可以自洽地解释多数矮星系没有探测到银心GeV超这一现象。我们研究发现,由于银盘上恒星和星际气体密度远大于银盘之外,所以SIDM导致的伽玛射线辐射的空间分布将显示出极大的不对称。我们定量地研究了这种不对称性,以期在以后的实验中得到检验。悟空号是目前世界上能量分辨率最高、工作能段最宽的电子、伽玛射线和宇宙线核素的空间探测器。它主要进行100GeV~100TeV(质子、核素)宇宙线、1OGeV-1OTeV伽玛射线以及电子宇宙线的观测。随着能量的升高,电子在宇宙线中的占比降低。在TeV以上,质子/电子1000。所以,若要在TeV以上获得精确的电子能谱,高精度的电子/质子分辨是不可或缺的。我们利用机器学习的主成分分析算法高效地寻找分辨电子/质子变量。一方面,主成分分析法是非监督学习算法,具有不依赖模拟的特点。其所获得的变量反映了真实的探测器信息。另一方面,主成分分析法可以利用探测器多维度的信息,有助于分辨精度的提高。悟空号的数据处理强烈依赖于模拟与束流试验的结果,所以,高精度的模拟对于准确的物理重建有重要的意义。悟空号目前的模拟软件是基于Geant4程序的,在模拟高能原子核相互作用时Geant4有明显的不足。我们初步构建了基于Fluka的模拟几何以及数据输入输出格式,可以实现对悟空号探测器物理相互作用的Fluka模拟,为进一步分析宇宙线数据奠定了基础。这两方面的内容见我们的第四、五章。最后一章是我们的总结与展望。


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