Towards a precise measurement of the cosmic ray positron fraction [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Henning Gast

Henning Gast

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• Astronomie
• Physik

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• Publié par: rheinisch-westfalischen_technischen_hochschule_-rwth-_aachen
• Publié le: 01 janvier 2009
• Nombre de lectures: 20
• Langue: English
• Poids de l'ouvrage: 22 Mo

Extrait

Towards a precise
measurement of the
cosmic-ray
positron fraction
Von der Fakult¨at fur¨ Mathematik, Informatik und Naturwissenschaften der
RWTH Aachen University
zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktors der Naturwissenschaften
genehmigte Dissertation
vorgelegt von
Diplom–Physiker
Henning Gast
aus Dusseldorf¨
Berichter: Universitatsprofessor Dr. Stefan Schael¨
Universitat¨ sprofessor Dr. Christopher Wiebusch
Tag der mundlichen Prufung: 7. Mai 2009¨ ¨
Diese Dissertation ist auf den Internetseiten der Hochschulbibliothek online verfugbar.¨Abstract
This thesis deals with detector concepts aiming at a precise measurement of the cosmic-ray
positron fraction extending to an as yet unreached range of energy. The indirect search for dark
matter is the main motivation for this endeavour.
The evolution and large-scale structure of the Universe is described by the Hot Big Bang model
which is well supported by observational evidence. In this model, roughly a quarter of the
energy density of the Universe must be made up of the elusive dark matter. Evidence for its
existence comes from, for example, the observation of galactic rotation curves, dynamics of clus-
ters of galaxies, and the pattern of anisotropies in the cosmic microwave background. While
the nature of dark matter is as yet unknown, the most popular candidate for its constituents is
the neutralino included in supersymmetric extensions to the standard model of particle physics.
Neutralinos annihilating in the Galactic halo are considered as a potential primary source of
cosmic-ray positrons. For the calculation of the expected secondary background of positrons,
a common cosmic-ray propagation model has been adopted and its uncertainties have been
assessed. The cosmic-ray positron fraction data available so far indicate an excess over the
expectation for purely secondary production, a trend recently confirmed and intensified by mea-
surementsofthePAMELAsatellitedetector. TheAMS-02detectorwillbereadyforinstallation
on the International Space Station in 2010 and is designed to perform precision spectroscopy of
many different cosmic-ray species including positrons.
Here, a design concept for a new detector, called Positron Electron Balloon Spectrometer
(PEBS), is presented. Intended for a measurement of the cosmic-ray positron fraction on one or
more flights at high altitude using a long-duration balloon, PEBS will have an unprecedentedly
2high acceptance of almost 0.4m sr. A first launch could take place in 2012. Using a supercon-
ducting magnet to create a mean magnetic field of 0.8T and a scintillating fibre tracker with
silicon photomultiplier readout, it will allow reliable charge-sign and momentum measurements
up to at least 100GeV. The enormous challenge of reliably identifying positrons in front of the
vast proton background is tackled by a combination of two independent subdetectors for parti-
cle identification. The first one is an electromagnetic calorimeter which will consist of layers of
tungsten absorber interleaved with scintillator bars, read out by silicon photomultipliers. The
second one is a transition radiation detector (TRD) similar to the one built for AMS-02, made
of an irregular fleece radiator followed by thin-walled detection tubes.
AdetailedMonteCarlosimulationofPEBS,basedonGeant4,wascreatedtostudytheexpected
performanceofthedetector, alongwithareconstructionandanalysissuite. Thesimulationpre-
dictsamomentumresolutionof18%for100GeVpositrons. Forthesameenergy,thecalorimeter
is predicted to have an energy resolution of 6% and a proton rejection of 3000 at 80% positron
efficiency. The transition radiation detector will provide an additional rejection factor of 700,
again with 80% positron efficiency. Using testbeam data acquired with a prototype for the
AMS-02-TRD, the accuracy of the simulation of transition radiation and ionisation losses pro-
vided by Geant4 was studied. Excellent agreement was found between the transition radiation
spectra in data and simulation. Small discrepancies at the 25%-level are present in the tails of
the proton energy loss spectra but this makes the predicted proton rejections uncertain by a
factor of two.In a series of testbeam measurements, the proof of principle was established for the scintillating
fibre tracker with silicon photomultiplier readout. The intrinsic spatial resolution achieved at
the current level of design is 70μm.
Neutralino dark matter was studied in the minimal supergravity grand unification (mSUGRA)
model. Assuming that neutralino annihilations are enhanced by boost factors taken from best
fits to the positron fraction data published so far, both PEBS and AMS-02 will be capable of
substantially constraining mSUGRA parameter space. It is shown that a moderately good fit
to the high-energy PAMELA data can be obtained in the mSUGRA model as well. At the
same time, the low-energy PAMELA data may hint at charge-sign dependent solar modulation
effects.Zusammenfassung
In dieser Arbeit werden Detektorkonzepte vorgestellt, die eine prazise Vermessung des Positro-¨
nenanteils in der kosmischen Strahlung bis hin zu bislang unerreichten Energiebereichen zum
Ziel haben.
Die Entwicklung und die großraumige Struktur des Universums werden von dem Urknallmo-¨
dell beschrieben, das durch vielf¨altige Beobachtungen gestut¨ zt wird. In diesem Modell macht
die ratselhafte dunkle Materie etwa ein Viertel der gesamten Energiedichte des Universums¨
aus. Hinweise auf ihre Existenz finden sich zum Beispiel in galaktischen Rotationskurven, der
Dynamik von Galaxienhaufen und dem Muster der Anisotropien in der kosmischen Hinter-
grundstrahlung. Obwohl die Natur der dunklen Materie nach wie vor unbekannt ist, sind die in
supersymmetrischen Erweiterungen des Standardmodells der Teilchenphysik enthaltenen Neu-
tralinos der beliebteste Kandidat. Neutralinos, die im galaktischen Halo zerstrahlen, werden
hier als mogliche primare Quellen fur Positronen in der kosmischen Strahlung betrachtet. Fur¨ ¨ ¨ ¨
die Berechnung des erwarteten sekundaren¨ Untergrundes wurde ein gebr¨auchliches Modell fur¨
die Propagation kosmischer Strahlung angenommen und seine Unsicherheiten abgeschatzt.¨ Die
¨bisher zum Positronenanteil in der kosmischen Strahlung vorliegenden Daten zeigen einen Uber-
schuss im Vergleich zu der Erwartung aus rein sekundarer¨ Erzeugung, ein Trend, der kur¨ zlich
durch Messungen des satellitengestutzten Detektors PAMELA bestatigt und verstarkt wurde.¨ ¨ ¨
Der Detektor AMS-02 wird im Jahre 2010 fur¨ die Befestigung an der internationalen Raumsta-
tion bereit stehen. Er wurde fur die Prazisionsspektroskopie vieler verschiedener Teilchensorten¨ ¨
in der kosmischen Strahlung einschließlich Positronen entwickelt.
In dieser Arbeit wird ein Entwicklungskonzept fur einen neuen Detektor vorgestellt, genannt¨
Positron Electron Balloon Spectrometer (PEBS). PEBS hat eine Messung des Positronenanteils
in der kosmischen Strahlung bei einem oder mehreren Flugen mit einem Langzeit-Hohenballon¨ ¨
2in großer Flugh¨ohe zum Ziel, mit einer bisher unerreicht großen Apertur von 0,4m sr. Der erste
StartkonnteimJahr2012stattfinden.DurchBenutzungeinessupraleitendenMagneten,derein¨
mittleres Feld von 0,8T erzeugt, und einem aus szintillierenden Fasern, die von Silizium-Photo-
vervielfachern ausgelesen werden, bestehenden Spurdetektor wird PEBS verl¨assliche Messungen
von Impuls und Ladungsvorzeichen bis mindestens 100GeV ermoglichen. Die enorme Heraus-¨
forderung, die darin besteht, Positronen vor dem ub¨ erwalti¨ genden Untergrund an Protonen
verlasslichzu identifizieren, wird mit einerKombination zweierSubdetektorenzurTeilcheniden-¨
tifikation angegangen. Der erste ist ein elektromagnetisches Kalorimeter, das aus Wolframlagen
bestehen wird, die von Szintillatorbarren gefolgt werden, die mit Silizium-Photovervielfachern
¨ausgelesenwerden.DerzweiteisteinUbergangsstrahlungsdetektor(TRD),derdemfur¨ AMS-02
gebauten ahnelt und aus einem irregularen Faserradiator besteht, der von dunnwandigen Detek-¨ ¨ ¨
tionsrohr¨ chen gefolgt wird.
EinedetaillierteMonteCarlo-SimulationvonPEBSwurdeerschaffen,ebensowieeinProgramm-
paket fur¨ Rekonstruktion und Analyse. Die Simulation basiert auf Geant4 und ermoglic¨ ht es,
die zu erwartende Leistungsf¨ahigkeit von PEBS zu studieren. Sie sagt eine Impulsauflosung¨ von
18% fur 100GeV Positronen vorher. Fur das Kalorimeter wird dabei eine Energieaufl von¨ ¨ ¨
6% und eine Protonenunterdruc¨ kung um 3000 bei einer Positron-Effizienz von 80% vorherge-
¨sagt. Der Ubergangsstrahlungsdetektor wird einen weiteren Faktor 700 beitragen, ebenso mit
80% Positron-Effizienz. Mit Hilfe von Teststrahldaten, die mit einem Prototypen fur¨ den AMS-
¨02-TRD aufgenommen wurden, wurde die Genauigkeit der Simulation von Ubergangsstrahlung¨und Ionisationsverlusten mit Geant4 studiert. Hervorragende Ubereinstimmung zwischen Daten
¨undSimulationwurdefur¨ dieSpektrenderUbergangsstrahlunggefunden.KleineAbweichungen
auf dem Niveau von 25% treten in den Auslaufern der Energieverlustspektren von Protonen zu¨
Tage und fuh¨ ren zu einer Unsicherheit der vorhergesagten Protonunterdruc¨ kungsf