TeVPA 2017 - Antiproton Flux and Antiproton-to-Proton Flux Ratio … · 2017-08-12 · 07.08.2017 |...

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3 von 14 Antiproton Flux and Antiproton-to-Proton Flux Ratio in Primary Cosmic Rays Measured with AMS on the Space Station Andreas Bachlechner on behalf of the AMS collaboration 07.08.2017 | TeVPA 2017, Columbus

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Antiproton Flux and Antiproton-to-Proton Flux Ratio in Primary Cosmic Rays Measured with AMS on the Space Station Andreas Bachlechner, I. Physikalisches Institut, RWTH Aachen 07.08.2017 | TeVPA 2017, Columbus

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Antiprotons in cosmic rays

AMS

p, He + ISM è p + …

p, He

ISM

p

The collision of cosmic rays with the interstellar medium (ISM) produces antiprotons

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~85% of the matter in the Universe is dark

AMS

p, He + ISM è p + …

p, He

ISM

p

χ + χ è p + …

p

χ

χ

The collision of cosmic rays with the interstellar medium (ISM) produces antiprotons

Annihilation of dark matter particles can produce additional antiprotons

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•  Antiproton excess can be measured by AMS

Antiproton to proton ratio in the cosmic rays

Ant

ipro

ton

/ pro

ton

ratio

Donato et al., PRL 102, 071301 (2009)

10-2

10-3

10-4

10-5

10-6

10-7 0.1 1 10 100 1000

Kinetic energy [GeV]

Dark matter + collision of cosmic rays with ISM

Ratio of ~10-4 requires great background rejection

Boost factor=40 ︎

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AMS: A TeV precision, multipurpose spectrometer

TRD

TOF

Tracker

TOFRICH

ECAL

1

2

7-8

3-4

9

5-6

Electromagnetic Calorimeter Separate p,p from e±

Time of Flight Z, β

Magnet ± Z Silicon Tracker

Z, R

Ring Imaging Cherenkov Z, β

Transition Radiation Detector Separate p,p from e±

The charge and energy or rigidity are measured independently by several sub-detectors

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Antiproton signal

Λ ×sign(R)

-2.5 -2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5

RICH

β

0.96

0.98

1.0

1

10

210

310

410

510

p p

-e

+π+e-π

TRD

Λ TRD Λ CC Λ CC Λ TRD 0.5−0 0.5 1

0.51

Eve

nts

0

5

10

15

Fit p

0.5−0 0.50.5

1

Eve

nts

0

10

15

Data

(a)

(b) (c)

5

-e

p

Events

0

10

15

5

5.4<|R|<6.5 GV

Well separated antiproton signal

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7

Event selection for the p/p analysis

TRD

ECAL

RICH M

AG

NE

T

AC

C

2

3-4

5-6

7-8

R = −363 GV antiproton

9

1

Tracker

§  ISS data from May 19, 2011 to May 26, 2015 M. Aguilar et al., Phys. Rev. Lett. 117, 091103 (2016)

•  The number of antiprotons is determined from template fits.

•  To maximize the measurement accuracy, different approaches are used depending on the backgrounds to challenge.

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8

Antiproton identification (low rigidity region)

|Rigidity| / GV1 10 210

-1 s

sr)

2Fl

ux /

(GV

m

6−10

5−10

4−10

3−10

2−10

1−10PAMELA(2006/07-2009/12)

1.00 - 4.02 GV

!

•  Electron, pion background

•  Mass calculated from TOF β and Tracker rigidity

•  Cut on TRD estimator to suppress electrons

•  Template events selected from ISS data via the RICH p

e-+π-

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9

Antiproton identification (intermediate rigidity region)

|Rigidity| / GV1 10 210

-1 s

sr)

2Fl

ux /

(GV

m

6−10

5−10

4−10

3−10

2−10

1−10PAMELA(2006/07-2009/12)

1.00 - 4.02 GV 3.67 - 18.0 GV

TRD estimator0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2

# E

vent

s

100

200

300 5.4<|R|<5.9 GV

p e-

TRD estimator ∧TRD

•  Electron and small amount of pion background

•  Utilize RICH information to remove residual Pion contamination

•  Templates from ISS data

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Antiproton identification at high rigidities

|Rigidity| / GV1 10 210

-1 s

sr)

2Fl

ux /

(GV

m

6−10

5−10

4−10

3−10

2−10

1−10PAMELA(2006/07-2009/12)

1.00 - 4.02 GV 3.67 - 18.0 GV 16.6 - 450 GV

Charge confusion estimator1− 0.5− 0 0.5 1

Prob

abilit

y3−10

2−10

1−10

p →p p

100<|R|<450GV

Charge confusion estimator ∧CC

•  Events may be reconstructed with wrong charge sign, due to: -  Finite tracker resolution -  Particle interactions with detector material -  Leads to charge confused events

•  Electron and charge confused proton background

•  Charge confusion estimator ∧CC: -  MVA BDT 10 variables based on e.g.:

§  Track fit quality §  Rigidity algorithms and track pattern §  Charge measurements

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11

Antiproton identification at high rigidities

|Rigidity| / GV1 10 210

-1 s

sr)

2Fl

ux /

(GV

m

6−10

5−10

4−10

3−10

2−10

1−10PAMELA(2006/07-2009/12)

1.00 - 4.02 GV 3.67 - 18.0 GV 16.6 - 450 GV

Λ ×sign(R)

-2.5 -2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5

RICH

β0.96

0.98

1.0

1

10

210

310

410

510

p p

-e

+π+e-π

TRD

Λ TRD Λ CC Λ CC Λ TRD 0.5−0 0.5 1

0.51

Eve

nts

0

5

10

15

Fit p

0.5−0 0.50.5

1

Eve

nts

0

10

15

Data

(a)

(b) (c)

5

-e

p

Events

0

10

15

5

χ2/d.f. = 138/154

175 < |R| < 211 GV

Charge confused

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Antiproton identification

|Rigidity| / GV1 10 210

-1 s

sr)

2Fl

ux /

(GV

m

6−10

5−10

4−10

3−10

2−10

1−10PAMELA(2006/07-2009/12)

1.00 - 4.02 GV 3.67 - 18.0 GV 16.6 - 450 GV

1. Low rigidity region: Electron, pion background 1.00 - 4.02 GV The mass calculated from TOF and Tracker

2. Intermediate region: Electron and small amount of pion background

3.67 - 18.0 GV RICH and TRD estimator 3. High rigidity region: Electron and charge confusion proton background

16.6 - 450 GV 2D template in (∧TRD - ∧CC ) plane •  The regions overlap, the analysis with the smallest error is taken

3.49 x 105 antiprotons and 2.42 x 109 protons are selected in the rigidity range 1<|R|<450 GV

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Antiproton uncertainties

|Rigidity| [GV]1 2 3 4 5 10 20 30 100 200

Rel

ativ

e er

ror [

%]

5

10

15

20

25

30

RσAσ

Nσsystσ

statσ

•  Statistical error dominants below 2 GV and above 100 GV

•  In the intermediate region the systematic uncertainty from the acceptance correction dominates

Rigidity scale

Counting

Acceptance

Total Syst.

Statistical 24%

13% 12%

2% 2%

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Antiproton uncertainties

|Rigidity| [GV]1 2 3 4 5 10 20 30 100 200

Rel

ativ

e er

ror [

%]

5

10

15

20

25

30

RσAσ

Nσsystσ

statσ

Rigidity scale

Counting

Acceptance

Total Syst.

Statistical 24%

13% 12%

2% 2%

•  Affecting the antiproton counting σCounting •  Geomagnetic cutoff •  Selection •  Charge confusion templates

•  Affecting the acceptance, σAcceptance •  Cross sections •  MC statistic fluctuations •  Migration matrix

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Systematic uncertainty from cross section uncertainty

The antiproton-to-proton flux ratio is defined as

Number of observed antiprotons and protons

Acceptance ratio of protons to antiprotons

P(GeV/c)1 10 210 310

[mb]

abs

σ+C

p

200

300

400

500Abrams(1971)Denisov(1973)Carroll(1979)Nakamura(1984)Cork(1957)Aihara(1981)Allaby(1970)

+C absorptionp

proton momentum [GeV/c]-110 1 10 210 310

p+C

inel

astic

cro

ss s

ectio

n [m

b]200

300

400

500NA61 (2012)Denisov (1973)Bellettini (1965)Carroll (1979)Bowen (1958)Dubna-exp db dataIHEP-exp db dataLetaw (1983)GEANT 4-09-06

Exp. Data compiled by J. Hoffman

p p

The typical uncertainty is 20% at 1 GV, 15% at 10 GV, and 5% at 100 GV

Uncertainty is still significant.

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Systematic error from charge confusion templates

]-1 [ GV4001 - Rigidity

1

-0.02 -0.01 0 0.01 0.02

Even

ts

10

210

310

410

510

610400 GeV/c Test Beam Data400 GeV/c Monte Carlo Simulation

Good agreement between data and MC in 5 orders of magnitude

•  The minor difference in charge confusion between MC simulation and data is taken as associated error

Rigidity resolution function

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Systematic error from the rigidity scale uncertainty

RigidityEnergy

0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4

Bin

Events

10

210

E>30 GeV+e E>30 GeV, Scaled-e

1/Δ∼0andσ(1/Δ)=1/26TV-1

Nor

mal

ized

ent

ries

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Rigidity [GV]210 310

410

1

10]

1.7GV ⋅-1 s ⋅-1 sr ⋅

⋅-2

[m2.7 RΦ

ˇ

p

p

The Spectra of Protons and Antiprotons

•  If p are secondaries, their spectrum should be different than p. •  Unexpectedly p and p have identical spectra.

M. Aguilar et al., Phys. Rev. Lett. 117, 091103 (2016)

104

3×103

2×104

8×103

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19

Antiproton-to-Proton Flux Ratio

•  The antiproton-to-proton flux ratio reaches its maximum at 20 GV •  The antiproton-to-proton flux ratio shows no rigidity dependence above 60 GV

Nikolas Zimmermann - RWTH Aachen - EPS HEP 2017 - 07.07.2017 Slide 11

Antiproton/proton ratio - resultsM. Aguilar et al., Phys. Rev. Lett. 117 (2016) 091103.

The fitted value of the slopek = (-0.7 ± 0.9) x 10-7 GV-1

is consistent with zero.Above 60.3 GV:

The fitted value of the slope Above 60.3 GV: k = (-0.7 ± 0.9)x10-7 GV-1 is consistent with zero.

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20

Antiproton-to-proton ratio

37

• AMS

Darkmatter

Momentum [GeV] DarkMatterModelexample: Donatoetal.,Phys.Rev.Lett.102,071301(2009).AstrophysicsModelexamples:P.Mertsch and S.Sarkar,Phys.Rev.D90,061301(2014);K.Kohri,K.Ioka,Y.Fujita,and R.Yamazaki,Prog.Theor.Exp.Phys.2016,021E01(2016).

The excess of antiprotons observed by AMS cannot come from pulsars.

It can be explained by Dark Matter collisions or by new astrophysics phenomena

Antiproton-to-Proton Flux Ratio

•  Different then the positron fraction excess the antiproton excess cannot be explained by Pulsars but could be explained by Dark Matter collisions or by new astrophysics phenomena

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Antiproton Flux and Antiproton-to-Proton Flux Ratio in Primary Cosmic Rays Measured with AMS on the Space Station Andreas Bachlechner, I. Physikalisches Institut, RWTH Aachen 07.08.2017 | TeVPA 2017, Columbus

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Conclusions

•  Antiproton measurement up to 450 GV measured based on 3.49 x 105 antiprotons and 2.42 x 109 protons extending existing measurements with high precision

•  The antiproton-to-proton flux ratio shows no rigidity

dependence above 60 GV - Hint for dark matter or new astrophysical phenomena

•  To test these signals a very precise theoretical prediction for the ISM background is needed

•  AMS will continue to collect more data till the end of the ISS lifetime to further explore the high rigidity region, increase the precision and investigate the time dependent effects