Методика выделения антиядер в эксперименте PAMELA

Источники антиядер в космических лучах
21-25 ноября 2011 г., ИТЭФ, Москва
Испарение ПЧД
Антипротоны
Вторичное
рождение
Скрытая масса
Важно искать и антиядра с зарядом |Z|>1, например, антигелий, т.к расчетное отношение анти-Не/Не в случае его вторичного происхождения ~ 10-12 – 10-14
Домены антивещества:
антигалактики, шаровые скопления антизвёзд и др.

ГФ: 21.6 см2 ср Масса: 470 кг
Размеры: 130 · 70 · 70 см3
Мощность: 360 Вт
Матнитный спектрометр
Микростриповая кремниевая трековая система + постоянный магнит (5 секций)
Измерение жёсткости R и определение импульса p (R = pc/|Z|e)
Измерение ионизационных потерь и определение абсолютной величины заряда |Z|
Определение знака заряда (разделение частиц и античастиц)
Научная аппаратура PAMELA
Запущена 15 июня 2006 г. на ИСЗ Ресурс-ДК1
21-25 ноября 2011 г., ИТЭФ, Москва
Система антисовпадений
Сцинтилляционные экраны
Исключение из анализа событий вне апертуры пробора
Исключение взаимодействующих в контейнере событий

Выделение событий, для которых можно измерить жёсткость и скорость:
Не более 1го срабатывания в верхних счетчиках ВПС
Отсутствие сигнала в верхних счетчиках АС
Идентифицирована только 1 траектория в трекере
Траектория не касается магнита
Базовый отбор
Вероятность неправильного измерения направления <10-9
Обратное
направление
Прямое
направление
21-25 ноября 2011 г., ИТЭФ, Москва
Определение направления
прилёта частиц
β > 0

Причина: рассеяния на стенке магнита или в одной из внутренних плоскостей трекера
Критерии отбора:
1. Координата пересечения верхнего счетчика ВПС траектории, восстановленной по трекеру, соответствует измеренной при помощи самого счетчика.
2. Трек, восстановленный по трекеру, проходит через стрипы калориметра с ненулевым энерговыделением
События с неправильно измеренной жесткостью
21-25 ноября 2011 г., ИТЭФ, Москва

Причина: δ-частицы или ядерные взаимодействия во внутренних плоскостях трекера
Критерии отбора:
1. Число стрипов в кластерах, ассоциированном с треком (кластер – группа соседних сработавших стрипов) < 10
2. Общее число кластеров, не ассоциированных с треком < 4.
3. Измеренная жёсткость
R < MDR/3 (MDR~ 1 ТВ).
События с неправильно измеренной жесткостью
21-25 ноября 2011 г., ИТЭФ, Москва
Первичная частица
δ- частица

Вероятность имитации протонов ядрами гелия менее 10-7÷-8
Вероятность имитации гелия протонами менее 10-6
Распределение средних ионизационных потерь в трекере в зависимости от измеренной жёсткости после предыдущий отборов
Абсолютная величина заряда
21-25 ноября 2011 г., ИТЭФ, Москва

Выделение дейтронов на фоне протонов
Ионизационные потери дейтронов в исследуемом диапазоне энергий систематически выше протонов. Алгоритм разделения частиц основан на многократных измерениях этой величины различными детекторами.
21-25 ноября 2011 г., ИТЭФ, Москва
Построение границ p-d на основе моделирования:

Оценённый фон протонов вычтен из окончательной выборки
Оценка вклада протонов в дейтроны
Массовое распределение отобранных событий.
21-25 ноября 2011 г., ИТЭФ, Москва

Идея: пусть имеется набор переменных (называемых предикторами), измеренных для различных, но заведомо известных классов. Если измерить значения предикторов вновь, можно определить, к какому классу относятся новые измерения.
Выбор предикторов основан на различиях в топологии взаимодействия лептонов и адронов в калориметре:
ширина и длина ливня, энерговыделения в различных его частях, максимальное энерговыделение в калориметре и т.д.
+ многократные измерения
ионизационных потерь для R<2.0 ГВ
Преимущество метода: может использоваться для обучения алгоритмов и определения параметров, необходимых для классификации на малой статистике.
Многомерный анализ: классификация на основе
теоремы Байеса
21-25 ноября 2011 г., ИТЭФ, Москва

Два предикотра разделяются кривой в 2х мерном пространстве
R=8 ГВ
Пример: классификация с 2мя предикторами:
Qtrack vs Qmax
Красные точки - антипротоны; синие точки – электроны.
21-25 ноября 2011 г., ИТЭФ, Москва

N предикторов разделяются (N+1)-гиперповерхностю
Пример: классификация с 2мя предикторами:
Qtrack vs Qmax vs R
Зависимость от энергии добавляет дополнительную размерность
21-25 ноября 2011 г., ИТЭФ, Москва

Верхний предел:
истинная режекция лучше
Фон π-мезонов подавлен отбором по калориметру, верхними ограничениями на dE/dx в C12, C21, C22, ограничением числа синглетов (<5) & из отбором по массе.
Режекция электронов
21-25 ноября 2011 г., ИТЭФ, Москва

Идентификация рассеяний на малые углы основана на использовании нечёткой логики.
Рассеяние на малые углы, приводящие к ошибке
в знаке заряда

Нижняя граница определена по данным Монте-Карло
Алгоритм использован при выделении антипротонов и антидейтронов
Подобные функции строятся для параметров А, В, С
Рассеяние на малые углы, приводящие к ошибке
в знаке заряда
21-25 ноября 2011 г., ИТЭФ, Москва

Примеры отобранных антипротонов

Измеренное отношение потоков
антипротонов и протонов
Измеренное отношение хорошо согласуется с моделью вторичного происхождения антипротонов в реакциях взаимодействия галактических космических лучей с межзвёздной средой
21-25 ноября 2011 г., ИТЭФ, Москва
PAMELA
Donato et. al 2009
Кинетическая энергия, ГэВ
p̅/p

Верхний предел на поток антидейтронов
Верхний предел на поток антидейтронов в современных экспериментах оказывается на несколько порядков выше теоретических предсказаний
21-25 ноября 2011 г., ИТЭФ, Москва

Поиск антигелия наиболее целесообразен при высоких энергиях (>20-30 ГВ), т.к. при низких энергиях поток антиядер будет ослаблен при распространении от источника через Галактику и Солнечную систему из-за малой длины свободного пробега и большого сечения аннигиляции.
Верхний предел на отношение потоков
антигелия и гелия
21-25 ноября 2011 г., ИТЭФ, Москва