Precision measurement of the cosmic-ray electron and positron fluxes as a function of time and energy with the Alpha Magnetic Spectrometer on the International Space Station

Zimmermann, Nikolas; Wiebusch, Christopher; Schael, Stefan

doi:HT020386150

Precision measurement of the cosmic-ray electron and positron fluxes as a function of time and energy with the Alpha Magnetic Spectrometer on the International Space Station = Präzisionsmessung der kosmischen Elektron- und Positronflüsse als Funktion der Zeit und Energie mit dem Alpha Magnetic Spectrometer auf der Internationalen Raumstation

Zimmermann, Nikolas^RWTH*

2020

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Diplom-Physiker Nikolas Zimmermann

ImpressumAachen 2020

Umfang1 Online-Ressource (232 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2020

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Schael, Stefan (Thesis advisor)^RWTH* ; Wiebusch, Christopher (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2020-02-17

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2020-02650
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/784618/files/784618.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
AMS-02 (frei) ; cosmic-ray flux (frei) ; electron flux (frei) ; positron flux (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 520

Kurzfassung
In der vorliegenden Dissertation wird die Analyse der kosmischen Elektron- und Positronflüsse, gemessen mit dem AMS-02 Detektor auf der Internationalen Raumstation, in zwei Varianten vorgestellt: zeitgemittelt und zeitabhängig. Die zeitgemittelten Flüsse decken 6.5 Jahre AMS-02 Daten ab und erlauben es die Elektron- und Positronflüsse mit unerreichter Präzision zu messen, im Energieintervall von 0.5 GeV bis 1 TeV. Insgesamt 28.39 Millionen Ereignisse wurden als Elektronen identifiziert und 1.95 Millionen als Positronen. Für jede der 88 Sonnenrotationsperioden (“Bartels rotation”) innerhalb der 6.5 Jahre wird zusätzlich jeweils ein Elektron- und ein Positronfluss bestimmt im Energieintervall von 1 - 50 GeV. Die Herausforderung der Analyse bestand darin, das kleine Elektronen- und Positronensignal aus dem großen Protonenuntergrund zu extrahieren, der die kosmische Strahlung dominiert. Eine detaillierte Beschreibung der Analysetechniken, sowie eine gründliche Diskussion aller relevanten systematischen Unsicherheiten wird präsentiert. Die Messung der zeitgemittelten kosmischen Elektron- und Positronflüsse erlaubt es die Spektren bis zu den höchsten Energien im Detail zu untersuchen und nach unbekannten Strukturen in der Energieabhängigkeit zu suchen. Nach traditionellem Verständnis sind Elektronen primäre kosmische Teilchen und Positronen sekundäre, die erst bei der Kollision von primären Protonen mit der Materie im interstellaren Raum entstehen. Eine klare Abweichung vom traditionellen Verständnis wurde beobachtet: Der Positronfluss lässt sich nicht als Potenzgesetz oder als Summe von zwei Potenzgesetzen beschreiben. Die Summe eines Potenzgesetzes mit einem zusätzlichem Quellterm, der zu hohen Energien exponentiell abfällt, beschreibt den gemessenen Positronfluss. Oberhalb der Energiegrenze verliert der Quellterm seine Bedeutung und der Positronfluss fällt stark ab. Die Existenz einer solchen Energiegrenze wurde mit einer Signifikanz von 4σ bestimmt, was ein klarer Hinweis auf eine neue Quelle von kosmischen Positronen ist. Der Ursprung des Quellterms ist unbekannt: Es könnte sich um eine astrophysikalische Quelle, wie einen Pulsar, handeln oder die Signatur eines annihilierenden dunkle Materie Teilchens. Der Großteil der Elektronen sollte von einer der bekannten astrophysikalischen Quellen kommen, wobei das Spektrum jeder Quelle mit einem Potenzgesetz zum gemessenen Elektronfluss beiträgt. Der Elektronfluss lässt sich als Summe von nur zwei Potenzgesetzen über den gesamten Energiebereich beschreiben, welches die Beobachtung stützt, dass mehr als eine astrophysikalische Quelle zum gemessenen Elektronfluss beiträgt. Zum ersten Mal konnte die Ladungsabhängigkeit der solaren Modulation allein mit Elektronen und Positronen untersucht werden. Effekte auf kurzen Zeitskalen, wie der “Forbush-Effekt” oder Sonneneruptionen lassen sich sowohl in Elektronen als auch Positronen zeitgleich identifizieren. Diese kurzzeitigen Effekte heben sich auf, wenn man das Verhältnis Positronen zu Elektronen betrachtet und ein klarer Langzeiteffekt bleibt übrig: der Übergang von einem Plateau zu einem anderen, nach der Polaritätsänderung des Sonnenmagnetfeldes im Juli 2013. Die Amplitude des Übergangs nimmt als Funktion der Energie ab und deckt sich daher mit Vorhersagen von Modellen der solaren Modulation, die Drifteffekte berücksichtigen. Die zeitabhängigen Flüsse erlauben es detaillierte Modelle der solaren Modulation zu entwickeln, die es ermöglichen werden, die zukünftige Zeitabhängigkeit der Elektron- und Positronflüsse vorherzusagen. Damit können dann fundierte Modelle der interstellaren Elektron- und Positronflüsse erstellt werden, die den gesamten Energiebereich von wenigen GeV bis zu TeV Energien beschreiben.

This thesis presents an analysis of the cosmic-ray electron and positron flux using the AMS-02 detector on the International Space Station as a function of time and energy. The time-averaged flux is integrated over 6.5 years of AMS-02 science data and provides the electron and positron flux with unprecedented accuracy, covering the energy range from 0.5 GeV to 1 TeV. In total 28.39 million events were identified as electrons and 1.95 million as positrons. For each of the 88 Bartels rotation periods (27 days), within the 6.5 years, an individual electron and positron flux is derived spanning the energy range from 1 - 50 GeV. The challenge of the analysis is to extract the small electron and positron signal in the overwhelming proton background present in cosmic rays. A detailed description of the analysis techniques is presented, including a thorough derivation of the systematic uncertainties. The main motivation for measuring the cosmic-ray electron and positron flux in a time-averaged way is to explore the energy dependence up to high energies in detail and search for structures in the spectrum. The traditional understanding is that electrons are primary cosmic rays, whereas positrons are believed to be secondaries, produced by collisions of primary protons with the interstellar medium. A clear deviation from the traditional understanding was discovered: the positron flux cannot be described by a single power law, nor by the sum of two power laws. The secondary production term plus an additional source term, with a finite cut-off energy, is necessary to describe the positron data. Above the cut-off energy, the positron flux is rapidly decreasing. The cut-off is established with a significance of 4σ, providing strong evidence that a new source of cosmic-ray positrons was discovered, which is responsible for the rise of the positron flux, and its decrease at high energies when the source term contribution is vanishing. The origin of the source term remains unclear: both astrophysical sources, such as pulsars, and dark-matter annihilation are candidates to describe the positron flux data. The majority of the electrons is believed to come from one of the several astrophysical sources, each making a power law contribution to the electron flux. The electron flux was found to be well described by the sum of two power laws over the whole energy range, supporting the observation that more than one astrophysical source is responsible for the measured electron flux. For the first time, the charge-sign dependent modulation during solar maximum has been investigated by electrons and positrons alone, using the time-dependent fluxes derived in this thesis. Short-term effects such as Forbush decreases and solar flares were identified simultaneously in the electron and positron flux that cancel in the positron/electron ratio. Long-term effects are revealed in the positron/electron ratio: A smooth transition from one value to another, after the polarity reversal of the solar magnetic field in July 2013. The transition magnitude is decreasing as a function of energy, which was predicated by solar modulation models that incorporate drift effects. This novel dataset allows one to build sophisticated models of solar modulation that can predict the time-dependence of both the electron and positron flux in future. This knowledge will allow a precise modelling of the interstellar electron flux and positron flux from low energies in the GeV regime up to the TeV regime.

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