暗物质粒子探测卫星在轨模拟与绝对能标研究

Dark Matter Particle Explorer is a space-borne cosmic ray telescope satellite, which was launched in December 2015. Until now, DAMPE has already successfully operated in space more than 600 days and acquired above 3 billion cosmic ray particles. Event Reconstruction of DAMPE science data is crucial for all researches. This project aims to resolve two main problems in the procedure of data processing, which are on-orbit simulation and absolute energy scale. The on-orbit simulation software will mimic in-flight data acquirement. By modeling atmosphere and geomagnetic field of the Earth and simulating interaction between cosmic ray and air atom, we can obtain the environment of primary and secondary cosmic rays. Based on this environment, we can imitate in-flight operation of DAMPE on orbit and finally produce sufficient simulation data for scientific research. The absolute energy scale of DAMPE ECAL will be determined by moment of beam particles. Associating with MC simulation, we can measure energy scale and its uncertainty in whole dynamic range of DAMPE.

暗物质粒子探测卫星是一颗空间宇宙线粒子探测卫星，目前卫星已在轨运行600余天，累计获取了超过30亿个高能宇宙线粒子。DAMPE卫星物理事例的重建就从事科学研究的基础。本项目主要针对DAMPE物理事例重建过程中迫切需要解决的两个关键科学问题——在轨模拟和绝对能标——展开研究。在轨模拟旨在仿真研究卫星在轨运行时的数据采集情况。本项目通过对地球大气与地磁场的建模，模拟初级宇宙线与大气的相互作用，得到卫星轨道面的初级与次级宇宙线流量与方向分布，进而利用这些粒子信息模拟DAMPE的在轨运行取数，最终生产在轨模拟数据供科学研究使用。本项目绝对能标的测量使用了束流实验粒子的动量作为参考标准结合MC模拟软件给出DAMPE全能量动态范围的绝对能标及其误差。

暗物质粒子探测卫星（DAMPE）是一颗空间宇宙线粒子探测卫星。卫星希望通过高分辨、宽波段的观测高能宇宙线粒子来间接探测暗物质。本课题主要针对暗物质粒子探测卫星科学数据分析过程中迫切需要解决的两个关键科学问题——在轨模拟和绝对能标的测量来开展研究。精确的在轨模拟是卫星科学数据分析与探测器刻度的基础，而探测器的绝对能标是一项重要物理指标，是物理产出与其他实验结果对比的先决条件。在轨模拟是精确刻度探测器和准确计算事例选择效率的必要条件，而绝对能标测量决定了DMAPE物理成果的可靠性。这两个研究方向在研究目标和研究内容的相关性上较强，都需要精确的模拟，是暗物质粒子探测卫星迫切需要解决的两个关键问题。.在轨模拟研究首先完成了反向寻迹（back tracing）算法开发、大气模型的引进与宇宙线大气物理作用模拟、以及DAMPE的在轨运行模拟，生产了大量在轨模拟的数据产品，包括初级电子、次级电子、初级正电子、次级正电子、初级质子、次级质子以及初级氦核。通过这些模拟数据，分别计算DAMPE轨道上任意位置处的不同种类、不同来源的粒子的能谱以及各向异性的方向分布。为DAMPE飞行数据的科学分析提供了可靠的模拟数据保障，同时也为后续的同类卫星项目的研制提供数据支撑, 如VLAST。.绝对能标的研究首先利用束流实验的结果构建了准确的Geant4模拟软件，继而分别利用宇宙线电子以及丰度较高的宇宙线核素铁的截止刚度进行绝对能标的测量。最终，在宇宙线电子2GeV-12GeV能量区间，飞行数据的截止刚度比模拟的结果高了约1.1%±0.1%，在宇宙线核素的100GeV区间，飞行数据与模拟的结果的差别维持在1%。高能段的绝对能标，需要通过簇射中心极大晶体上的能量沉积线性关系推断。簇射极大晶体的能量沉积，模拟和飞行数据较好的符合，表明BGO晶体能量测量保持了较好的线性，没有出现非线性和饱和状态。可以推断，至1TeV量级探测器的能标仍可以保持在1%的量级。

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