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 ¡ 35 th ¡ICRC, ¡12-­‑20 ¡July, ¡2017, ¡Busan, ¡Korea ¡ ¡

Dark ¡Ma@er ¡Search ¡at ¡AMS ¡ The ¡collision ¡of ¡cosmic ¡rays ¡with ¡interstellar ¡medium(ISM) ¡ will ¡produce ¡ p ¡ p, ¡He ¡+ ¡ISM ¡ à ¡p ¡+ ¡… ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ χ χ χ χ χ χ ¡ ¡ ¡ χ χ p, ¡He ¡ χ AMS ¡ ISM ¡ p ¡ χ ¡+ ¡ χ ¡ → ¡p ¡+ ¡… ¡ The ¡collision ¡of ¡dark ¡ma@er ¡par#cles ¡will ¡produce ¡addi#onal ¡p ¡ 2

An#protons ¡in ¡the ¡Cosmos ¡ 10 -2 Dark matter + Collision of cosmic Antiproton / proton ratio 10 -3 rays with ISM Dark matter 10 -4 10 -5 10 -6 Donato et al., Kinetic energy [GeV] PRL 102, 071301 (2009) 10 -7 1 10 1000 100 The ¡excess ¡of ¡p ¡can ¡be ¡accurately ¡measured ¡by ¡AMS ¡ 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

Alpha ¡Magne#c ¡Spectrometer ¡ Transi#on ¡Radia#on ¡Detector ¡ Time ¡of ¡Flight ¡ ¡ p,p ¡/ ¡e ± ¡ Z, ¡E ¡ 1 ¡ TRD ¡ ¡Magnet ¡ TOF ¡ 2 ¡ ±Z, ¡p/p ¡ Silicon ¡Tracker ¡ 3-­‑4 ¡ ¡Z, ¡P, ¡Rigidity(=P/Z) ¡ 5-­‑6 ¡ Tracker ¡ 7-­‑8 ¡ TOF ¡ RICH ¡ Ring ¡Imaging ¡Cherenkov ¡ ¡ 9 ¡ ¡Z, ¡E ¡ ECAL ¡ Electromagne#c ¡Calorimeter ¡ ¡ E ¡of ¡e ± ¡; ¡p,p ¡/ ¡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 ¡ 4

Silicon ¡Tracker ¡and ¡Magnet ¡ 1 2 1.4 ¡kG ¡ 3 TRD 4 TOF Z=1 Data 5 MAGNET 6 7 8 TOF <σ> ¡= ¡10 ¡μm ¡ 9 RICH ECAL Maximum ¡Detectable ¡Rigidity(MDR) ¡2.0 ¡TV ¡ ¡ for ¡Z=1 ¡par#cles ¡ 5 ¡

Transi#on ¡Radia#on ¡Detector ¡(TRD) ¡ One ¡of ¡ 20 ¡layers ¡ dE/dx ¡ p,p ¡ e ± ¡ TRD estimator = -ln( P e /( P e + P p )) Proton ¡Rejec#on ¡ Electrons ¡ ¡ e ± ¡ ¡ 10 3 ¡-­‑ ¡10 4 ¡ ¡ Protons ¡ e - e ± ¡ ¡ ¡ ¡ p,p ¡ p ¡ ¡ ¡ p,p ¡ TRD ¡Es#mator ¡ ∧ TRD ¡ 6 ¡

Ring ¡Imaging ¡Cherenkov ¡detector, ¡RICH ¡ Radiator ¡ Reflector ¡ Detectors ¡ 10880 ¡ Intensity ∝ Z 2 Θ ∝ V Photosensors ¡ Velocity ¡resolu#on ¡ Velocity ¡resolu#on: ¡ ¡ Δβ/β ¡= ¡0.1% ¡ ¡ for ¡|Z|=1 ¡par#cles ¡ Z ¡ 7 ¡

An#proton ¡iden#fica#on ¡at ¡intermediate ¡rigidity ¡ 5.4<|R|<6.5 ¡GV ¡ Events - + 5 + π π 10 e (a) ¡ ¡ ¡ ¡ 4 - 10 e 1.0 RICH 3 10 p p β 0.98 2 10 10 0.96 × Λ sign(R) TRD 1 -2.5 -2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 8 ¡

An#proton ¡iden#fica#on ¡at ¡high ¡rigidity ¡ 175<|R|<211 ¡GV ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ (c) ¡ ¡ ¡ ¡ (b) ¡ ¡ ¡ ¡ p ¡ ¡ ¡ ¡ p ¡ Data Fit Events Events - e e ¡ χ2 /d.f. ¡= ¡138/154 ¡ 15 15 15 10 10 10 p ¡ p 5 5 5 0 0 0 1 1 1 0.5 0.5 Λ 0.5 0 Λ 0.5 0 Λ T Λ 0.5 C C R − T − 0.5 D C R C D In ¡4 ¡years, ¡>2200 ¡an#protons ¡above ¡100 ¡GV ¡ 9 ¡

We have collected data for 6 years In first 4 years, 3.49 x 10 5 antiprotons and 2.42 x 10 9 protons are selected in the rigidity range 1<|R|<450 GV More than 2200 antiprotons above 100 GV Systema#c ¡Errors ¡Study ¡ • Affect ¡the ¡an#proton ¡coun#ng ¡ σ Ν ¡ Cutoff ¡ ¡ • Selecaon ¡ • Charge ¡confusion ¡templates ¡ • • Affect ¡the ¡acceptance, σ A ¡ Inelas#c ¡cross ¡sec#ons ¡ • MC ¡staasac ¡fluctuaaon ¡ • Migraaon ¡matrix ¡ • • Rigidity ¡scale, ¡ σ R ¡ 10 ¡

Systema#c ¡error ¡from ¡charge ¡confusion ¡templates ¡ 6 10 400 GeV/c Test Beam Data Good ¡agreement ¡between ¡ 400 GeV/c Monte Carlo Simulation data ¡and ¡MC ¡in ¡several ¡ 5 10 orders ¡of ¡magnitude ¡ 4 10 Events 3 10 2 10 1 1 -1 - [ GV ] Rigidity 400 10 -0.02 -0.01 0 0.01 0.02 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 ¡ The ¡inelas#c ¡cross ¡sec#on ¡are ¡used ¡in ¡MC ¡simula#on ¡to ¡calculate ¡the ¡ effec#ve ¡acceptance ¡ Exp. Data compiled by J. Hoffman p+C inelastic cross section [mb] [mb] NA61 (2012) Abrams(1971) 500 Denisov (1973) 500 Denisov(1973) Bellettini (1965) abs Carroll(1979) p ¡ p ¡ Carroll (1979) σ Nakamura(1984) Bowen (1958) +C Cork(1957) Dubna-exp db data 400 400 Aihara(1981) IHEP-exp db data p Allaby(1970) Letaw (1983) GEANT 4-09-06 p +C absorption assigned ¡ assigned ¡ 300 model ¡error model ¡error 300 200 200 -1 2 3 10 10 10 2 3 1 10 1 10 10 10 proton momentum [GeV/c] P(GeV/c) 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 ¡ ¡ ¡ 12 ¡

Error ¡breakdown ¡ 30 Relative error [%] 24% ¡ 25 Sta#s#cal ¡error ¡(with ¡4 ¡years ¡data) ¡ σ stat dominantes ¡above ¡100 ¡GV ¡ 20 15 13% ¡ σ syst 12% ¡ σ N 10 5 σ 2% ¡ σ A 2% ¡ R 1 2 3 4 5 10 20 30 100 200 |Rigidity| [GV] 13 ¡

Unexpected: ¡The ¡Spectra ¡of ¡Protons ¡and ¡An#protons: ¡ If ¡p ¡are ¡secondaries, ¡their ¡rigidity ¡dependence ¡should ¡be ¡different ¡than ¡p: ¡ p ¡+ ¡ISM ¡ à ¡p ¡+ ¡… ¡ ¡ Unexpectedly ¡p ¡and ¡p ¡have ¡the ¡same ¡rigidity ¡dependence. ¡ 10 3.49 ¡x ¡10 5 ¡an#protons ¡ ] ¡2.42 ¡x ¡10 9 ¡protons ¡ 1.7 GV p ⋅ -1 s ⋅ 10 4 -1 10 sr p ⋅ -2 1 [m 2.7 R ˇ ⋅ Φ 3x10 3 Rigidity [GV] PRL ¡117, ¡091103 ¡(2016) 3 2 20 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡100 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡300 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡1000 ¡ 10 10 14 ¡

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 − ¡ Published ¡results ¡based ¡on ¡9.81 ¡million ¡electrons ¡and ¡positrons ¡ 10 New ¡results ¡will ¡be ¡presented ¡by ¡Zhili ¡Weng ¡and ¡Zuhao ¡Li ¡ ] 2 10 1.7 GV e + ⋅ -1 s ⋅ -1 sr ⋅ -2 [m e - 2.7 R ˇ ⋅ Φ 1 |Rigidity| [GV] PRL ¡113, ¡121102 ¡(2014) Rigidity [GV] 10 2 3 10 10 15 ¡

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 ¡ ¡ p p e + 10 ] 1.7 10 GV ⋅ -1 s ⋅ -1 4 10 sr ⋅ 1 -2 [m 2.7 R 3x10 3 ¡ ⋅ 1 Φ |Rigidity| ¡[GV] ¡ 20 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡300 ¡ ¡ 100 1000 16 ¡

Unexpected ¡results: ¡the ¡rigidity ¡dependence ¡of ¡of ¡e + , ¡p ¡, ¡p ¡ are ¡iden#cal ¡from ¡~60 ¡to ¡~500 ¡GV ¡ e − ¡has ¡a ¡different ¡rigidity ¡dependence ¡ p p e + e − ¡ 10 ] 1.7 10 GV 2 10 ⋅ -1 s ⋅ -1 4 10 sr ⋅ 1 -2 [m 2.7 R 3x10 3 ¡ ⋅ 1 Φ |Rigidity| ¡[GV] ¡ 10 20 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡300 ¡ ¡ 100 1000 17 ¡

An#proton-­‑to-­‑Proton ¡Flux ¡Ra#o ¡ Show ¡no ¡rigidity ¡dependence ¡above ¡60 ¡GV ¡ 4 − 10 ratio Fit ¡to ¡a ¡straight ¡line: ¡Raao ¡= ¡k ¡(|R|-­‑R 0 ¡) ¡+ ¡C ¡ p Yields ¡ k ¡= ¡( ¡-­‑0.7 ¡± ¡0.9 ¡) ¡x ¡10 -­‑7 ¡ GV -­‑1 ¡ Φ / k ¡is ¡consistent ¡with ¡0 ¡ p Φ 5 − 10 |Rigidity| ¡[GV] ¡ 0 50 100 150 200 250 300 350 18 ¡ |Rigidity| [GV]

AMS ¡an#proton ¡results ¡and ¡modeling ¡ /p ratio AMS-02 p Dark Matter 4 − 10 Collisions of ordinary cosmic rays Models ¡from ¡ F. ¡Donato ¡et ¡al., ¡PRL ¡102, ¡071301 ¡(2009); ¡ ¡ m χ = 1 TeV ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ 5 − 10 0 100 200 300 400 500 |Rigidity| [GV] 19 ¡