Three-Dimensional Model of Cosmic-Ray Lepton Propagation Reproduces Data from the Alpha Magnetic Spectrometer on the International Space Station

被引：97

作者：

Gaggero, Daniele ^{[1
,2
]}

Maccione, Luca ^{[3
,4
]}

Di Bernardo, Giuseppe ^{[5
,6
,7
]}

Evoli, Carmelo ^{[8
]}

Grasso, Dario ^{[9
]}

机构：

[1] SISSA, I-34136 Trieste, Italy

[2] Ist Nazl Fis Nucl, Sez Trieste, I-34127 Trieste, Italy

[3] Univ Munich, D-80333 Munich, Germany

[4] Werner Heisenberg Inst, Max Planck Inst Phys, D-80805 Munich, Germany

[5] Univ Gothenburg, Dept Phys, SE-41296 Gothenburg, Sweden

[6] Univ Calif Berkeley, Dept Astron, Berkeley, CA 94720 USA

[7] Univ Calif Berkeley, Theoret Astrophys Ctr, Berkeley, CA 94720 USA

[8] Univ Hamburg, Inst Theoret Phys 2, D-22761 Hamburg, Germany

[9] Ist Nazl Fis Nucl, Sez Pisa, I-56127 Pisa, Italy

来源：

PHYSICAL REVIEW LETTERS | 2013年 / 111卷 / 02期

关键词：

SOLAR MODULATION; CURRENT SHEET; RADIATION; DRIFT;

D O I：

10.1103/PhysRevLett.111.021102

中图分类号：

O4 [物理学];

学科分类号：

0702 ;

摘要：

We study the compatibility of Alpha Magnetic Spectrometer (AMS-02) data on the cosmic-ray (CR) positron fraction with data on the CR electron and positron spectra provided by PAMELA and Fermi LAT. We do that in terms of a novel propagation model in which sources are distributed in spiral arm patterns in agreement with astrophysical observations. While former interpretations assumed an unrealistically steep injection spectrum for astrophysical background electrons, the enhanced energy losses experienced by CR leptons due to the larger average source distance from Earth allow us to reproduce the data with harder injection spectra as expected in a shock acceleration scenario. Moreover, we show that in this approach, and accounting for AMS-02 results, the contribution of nearby accelerators to the fluxes at very high energy can be significantly reduced, thus avoiding any tension with anisotropy upper limits.

引用

页数：5

共 44 条

[1] Measurement of the Cosmic Ray e++e- Spectrum from 20 GeV to 1 TeV with the Fermi Large Area Telescope [J].

Abdo, A. A. ;

Ackermann, M. ;

Ajello, M. ;

Atwood, W. B. ;

Axelsson, M. ;

Baldini, L. ;

Ballet, J. ;

Barbiellini, G. ;

Bastieri, D. ;

Battelino, M. ;

Baughman, B. M. ;

Bechtol, K. ;

Bellazzini, R. ;

Berenji, B. ;

Blandford, R. D. ;

Bloom, E. D. ;

Bogaert, G. ;

Bonamente, E. ;

Borgland, A. W. ;

Bregeon, J. ;

Brez, A. ;

Brigida, M. ;

Bruel, P. ;

Burnett, T. H. ;

Caliandro, G. A. ;

Cameron, R. A. ;

Caraveo, P. A. ;

Carlson, P. ;

Casandjian, J. M. ;

Cecchi, C. ;

Charles, E. ;

Chekhtman, A. ;

Cheung, C. C. ;

Chiang, J. ;

Ciprini, S. ;

Claus, R. ;

Cohen-Tanugi, J. ;

Cominsky, L. R. ;

Conrad, J. ;

Cutini, S. ;

Dermer, C. D. ;

de Angelis, A. ;

de Palma, F. ;

Digel, S. W. ;

Di Bernardo, G. ;

do Couto e Silva, E. ;

Drell, P. S. ;

Dubois, R. ;

Dumora, D. ;

Edmonds, Y. .

PHYSICAL REVIEW LETTERS, 2009, 102 (18)

[2] Measurement of Separate Cosmic-Ray Electron and Positron Spectra with the Fermi Large Area Telescope [J].

Ackermann, M. ;

Ajello, M. ;

Allafort, A. ;

Atwood, W. B. ;

Baldini, L. ;

Barbiellini, G. ;

Bastieri, D. ;

Bechtol, K. ;

Bellazzini, R. ;

Berenji, B. ;

Blandford, R. D. ;

Bloom, E. D. ;

Bonamente, E. ;

Borgland, A. W. ;

Bouvier, A. ;

Bregeon, J. ;

Brigida, M. ;

Bruel, P. ;

Buehler, R. ;

Buson, S. ;

Caliandro, G. A. ;

Cameron, R. A. ;

Caraveo, P. A. ;

Casandjian, J. M. ;

Cecchi, C. ;

Charles, E. ;

Chekhtman, A. ;

Cheung, C. C. ;

Chiang, J. ;

Ciprini, S. ;

Claus, R. ;

Cohen-Tanugi, J. ;

Conrad, J. ;

Cutini, S. ;

de Angelis, A. ;

de Palma, F. ;

Dermer, C. D. ;

Digel, S. W. ;

do Couto e Silva, E. ;

Drell, P. S. ;

Drlica-Wagner, A. ;

Favuzzi, C. ;

Fegan, S. J. ;

Ferrara, E. C. ;

Focke, W. B. ;

Fortin, P. ;

Fukazawa, Y. ;

Funk, S. ;

Fusco, P. ;

Gargano, F. .

PHYSICAL REVIEW LETTERS, 2012, 108 (01)

[3] Fermi LAT observations of cosmic-ray electrons from 7 GeV to 1 TeV [J].

Ackermann, M. ;

Ajello, M. ;

Atwood, W. B. ;

Baldini, L. ;

Ballet, J. ;

Barbiellini, G. ;

Bastieri, D. ;

Baughman, B. M. ;

Bechtol, K. ;

Bellardi, F. ;

Bellazzini, R. ;

Belli, F. ;

Berenji, B. ;

Blandford, R. D. ;

Bloom, E. D. ;

Bogart, J. R. ;

Bonamente, E. ;

Borgland, A. W. ;

Brandt, T. J. ;

Bregeon, J. ;

Brez, A. ;

Brigida, M. ;

Bruel, P. ;

Buehler, R. ;

Burnett, T. H. ;

Busetto, G. ;

Buson, S. ;

Caliandro, G. A. ;

Cameron, R. A. ;

Caraveo, P. A. ;

Carlson, P. ;

Carrigan, S. ;

Casandjian, J. M. ;

Ceccanti, M. ;

Cecchi, C. ;

Celik, Oe ;

Charles, E. ;

Chekhtman, A. ;

Cheung, C. C. ;

Chiang, J. ;

Cillis, A. N. ;

Ciprini, S. ;

Claus, R. ;

Cohen-Tanugi, J. ;

Conrad, J. ;

Corbet, R. ;

DeKlotz, M. ;

Dermer, C. D. ;

de Angelis, A. ;

de Palma, F. .

PHYSICAL REVIEW D, 2010, 82 (09)

[4] Searches for cosmic-ray electron anisotropies with the Fermi Large Area Telescope [J].

Ackermann, M. ;

Ajello, M. ;

Atwood, W. B. ;

Baldini, L. ;

Ballet, J. ;

Barbiellini, G. ;

Bastieri, D. ;

Bechtol, K. ;

Bellazzini, R. ;

Berenji, B. ;

Bloom, E. D. ;

Bonamente, E. ;

Borgland, A. W. ;

Bouvier, A. ;

Bregeon, J. ;

Brez, A. ;

Brigida, M. ;

Bruel, P. ;

Buehler, R. ;

Burnett, T. H. ;

Buson, S. ;

Caliandro, G. A. ;

Cameron, R. A. ;

Caraveo, P. A. ;

Carrigan, S. ;

Casandjian, J. M. ;

Cecchi, C. ;

Celik, Oe ;

Charles, E. ;

Chekhtman, A. ;

Cheung, C. C. ;

Chiang, J. ;

Ciprini, S. ;

Claus, R. ;

Cohen-Tanugi, J. ;

Conrad, J. ;

Cuoco, A. ;

Dermer, C. D. ;

de Angelis, A. ;

de Palma, F. ;

Digel, S. W. ;

Di Bernardo, G. ;

do Couto e Silva, E. ;

Drell, P. S. ;

Dubois, R. ;

Favuzzi, C. ;

Fegan, S. J. ;

Focke, W. B. ;

Frailis, M. ;

Fukazawa, Y. .

PHYSICAL REVIEW D, 2010, 82 (09)

[5] Cosmic-Ray Electron Flux Measured by the PAMELA Experiment between 1 and 625 GeV [J].

Adriani, O. ;

Barbarino, G. C. ;

Bazilevskaya, G. A. ;

Bellotti, R. ;

Boezio, M. ;

Bogomolov, E. A. ;

Bongi, M. ;

Bonvicini, V. ;

Borisov, S. ;

Bottai, S. ;

Bruno, A. ;

Cafagna, F. ;

Campana, D. ;

Carbone, R. ;

Carlson, P. ;

Casolino, M. ;

Castellini, G. ;

Consiglio, L. ;

De Pascale, M. P. ;

De Santis, C. ;

De Simone, N. ;

Di Felice, V. ;

Galper, A. M. ;

Gillard, W. ;

Grishantseva, L. ;

Jerse, G. ;

Karelin, A. V. ;

Koldashov, S. V. ;

Krutkov, S. Y. ;

Kvashnin, A. N. ;

Leonov, A. ;

Malakhov, V. ;

Malvezzi, V. ;

Marcelli, L. ;

Mayorov, A. G. ;

Menn, W. ;

Mikhailov, V. V. ;

Mocchiutti, E. ;

Monaco, A. ;

Mori, N. ;

Nikonov, N. ;

Osteria, G. ;

Palma, F. ;

Papini, P. ;

Pearce, M. ;

Picozza, P. ;

Pizzolotto, C. ;

Ricci, M. ;

Ricciarini, S. B. ;

Rossetto, L. .

PHYSICAL REVIEW LETTERS, 2011, 106 (20)

[6] PAMELA Measurements of Cosmic-Ray Proton and Helium Spectra [J].

Adriani, O. ;

Barbarino, G. C. ;

Bazilevskaya, G. A. ;

Bellotti, R. ;

Boezio, M. ;

Bogomolov, E. A. ;

Bonechi, L. ;

Bongi, M. ;

Bonvicini, V. ;

Borisov, S. ;

Bottai, S. ;

Bruno, A. ;

Cafagna, F. ;

Campana, D. ;

Carbone, R. ;

Carlson, P. ;

Casolino, M. ;

Castellini, G. ;

Consiglio, L. ;

De Pascale, M. P. ;

De Santis, C. ;

De Simone, N. ;

Di Felice, V. ;

Galper, A. M. ;

Gillard, W. ;

Grishantseva, L. ;

Jerse, G. ;

Karelin, A. V. ;

Koldashov, S. V. ;

Krutkov, S. Y. ;

Kvashnin, A. N. ;

Leonov, A. ;

Malakhov, V. ;

Malvezzi, V. ;

Marcelli, L. ;

Mayorov, A. G. ;

Menn, W. ;

Mikhailov, V. V. ;

Mocchiutti, E. ;

Monaco, A. ;

Mori, N. ;

Nikonov, N. ;

Osteria, G. ;

Palma, F. ;

Papini, P. ;

Pearce, M. ;

Picozza, P. ;

Pizzolotto, C. ;

Ricci, M. ;

Ricciarini, S. B. .

SCIENCE, 2011, 332 (6025) :69-72

[7] An anomalous positron abundance in cosmic rays with energies 1.5-100 GeV [J].

Adriani, O. ;

Barbarino, G. C. ;

Bazilevskaya, G. A. ;

Bellotti, R. ;

Boezio, M. ;

Bogomolov, E. A. ;

Bonechi, L. ;

Bongi, M. ;

Bonvicini, V. ;

Bottai, S. ;

Bruno, A. ;

Cafagna, F. ;

Campana, D. ;

Carlson, P. ;

Casolino, M. ;

Castellini, G. ;

De Pascale, M. P. ;

De Rosa, G. ;

De Simone, N. ;

Di Felice, V. ;

Galper, A. M. ;

Grishantseva, L. ;

Hofverberg, P. ;

Koldashov, S. V. ;

Krutkov, S. Y. ;

Kvashnin, A. N. ;

Leonov, A. ;

Malvezzi, V. ;

Marcelli, L. ;

Menn, W. ;

Mikhailov, V. V. ;

Mocchiutti, E. ;

Orsi, S. ;

Osteria, G. ;

Papini, P. ;

Pearce, M. ;

Picozza, P. ;

Ricci, M. ;

Ricciarini, S. B. ;

Simon, M. ;

Sparvoli, R. ;

Spillantini, P. ;

Stozhkov, Y. I. ;

Vacchi, A. ;

Vannuccini, E. ;

Vasilyev, G. ;

Voronov, S. A. ;

Yurkin, Y. T. ;

Zampa, G. ;

Zampa, N. .

NATURE, 2009, 458 (7238) :607-609

[8] First Result from the Alpha Magnetic Spectrometer on the International Space Station: Precision Measurement of the Positron Fraction in Primary Cosmic Rays of 0.5-350 GeV [J].

Aguilar, M. ;

Alberti, G. ;

Alpat, B. ;

Alvino, A. ;

Ambrosi, G. ;

Andeen, K. ;

Anderhub, H. ;

Arruda, L. ;

Azzarello, P. ;

Bachlechner, A. ;

Barao, F. ;

Baret, B. ;

Barrau, A. ;

Barrin, L. ;

Bartoloni, A. ;

Basara, L. ;

Basili, A. ;

Batalha, L. ;

Bates, J. ;

Battiston, R. ;

Bazo, J. ;

Becker, R. ;

Becker, U. ;

Behlmann, M. ;

Beischer, B. ;

Berdugo, J. ;

Berges, P. ;

Bertucci, B. ;

Bigongiari, G. ;

Biland, A. ;

Bindi, V. ;

Bizzaglia, S. ;

Boella, G. ;

de Boer, W. ;

Bollweg, K. ;

Bolmont, J. ;

Borgia, B. ;

Borsini, S. ;

Boschini, M. J. ;

Boudoul, G. ;

Bourquin, M. ;

Brun, P. ;

Buenerd, M. ;

Burger, J. ;

Burger, W. ;

Cadoux, F. ;

Cai, X. D. ;

Capell, M. ;

Casadei, D. ;

Casaus, J. .

PHYSICAL REVIEW LETTERS, 2013, 110 (14)

[9] Probing the ATIC peak in the cosmic-ray electron spectrum with HESS [J].

Aharonian, F. ;

Akhperjanian, A. G. ;

Anton, G. ;

de Almeida, U. Barres ;

Bazer-Bachi, A. R. ;

Becherini, Y. ;

Behera, B. ;

Bernloehr, K. ;

Bochow, A. ;

Boisson, C. ;

Bolmont, J. ;

Borrel, V. ;

Brucker, J. ;

Brun, F. ;

Brun, P. ;

Buehler, R. ;

Bulik, T. ;

Buesching, I. ;

Boutelier, T. ;

Chadwick, P. M. ;

Charbonnier, A. ;

Chaves, R. C. G. ;

Cheesebrough, A. ;

Chounet, L. -M. ;

Clapson, A. C. ;

Coignet, G. ;

Dalton, M. ;

Daniel, M. K. ;

Davids, I. D. ;

Degrange, B. ;

Deil, C. ;

Dickinson, H. J. ;

Djannati-Atai, A. ;

Domainko, W. ;

Drury, L. O'C. ;

Dubois, F. ;

Dubus, G. ;

Dyks, J. ;

Dyrda, M. ;

Egberts, K. ;

Emmanoulopoulos, D. ;

Espigat, P. ;

Farnier, C. ;

Feinstein, F. ;

Fiasson, A. ;

Foerster, A. ;

Fontaine, G. ;

Fuessling, M. ;

Gabici, S. ;

Gallant, Y. A. .

ASTRONOMY & ASTROPHYSICS, 2009, 508 (02) :561-564

[10] Cosmic ray acceleration in supernova remnants and the FERMI/PAMELA data [J].

Ahlers, Markus ;

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Sarkar, Subir .

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[1] Measurement of the Cosmic Ray e++e- Spectrum from 20 GeV to 1 TeV with the Fermi Large Area Telescope [J].

Abdo, A. A. ;

Ackermann, M. ;

Ajello, M. ;

Atwood, W. B. ;

Axelsson, M. ;

Baldini, L. ;

Ballet, J. ;

Barbiellini, G. ;

Bastieri, D. ;

Battelino, M. ;

Baughman, B. M. ;

Bechtol, K. ;

Bellazzini, R. ;

Berenji, B. ;

Blandford, R. D. ;

Bloom, E. D. ;

Bogaert, G. ;

Bonamente, E. ;

Borgland, A. W. ;

Bregeon, J. ;

Brez, A. ;

Brigida, M. ;

Bruel, P. ;

Burnett, T. H. ;

Caliandro, G. A. ;

Cameron, R. A. ;

Caraveo, P. A. ;

Carlson, P. ;

Casandjian, J. M. ;

Cecchi, C. ;

Charles, E. ;

Chekhtman, A. ;

Cheung, C. C. ;

Chiang, J. ;

Ciprini, S. ;

Claus, R. ;

Cohen-Tanugi, J. ;

Cominsky, L. R. ;

Conrad, J. ;

Cutini, S. ;

Dermer, C. D. ;

de Angelis, A. ;

de Palma, F. ;

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Di Bernardo, G. ;

do Couto e Silva, E. ;

Drell, P. S. ;

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Dumora, D. ;

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[2] Measurement of Separate Cosmic-Ray Electron and Positron Spectra with the Fermi Large Area Telescope [J].

Ackermann, M. ;

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Atwood, W. B. ;

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Berenji, B. ;

Blandford, R. D. ;

Bloom, E. D. ;

Bonamente, E. ;

Borgland, A. W. ;

Bouvier, A. ;

Bregeon, J. ;

Brigida, M. ;

Bruel, P. ;

Buehler, R. ;

Buson, S. ;

Caliandro, G. A. ;

Cameron, R. A. ;

Caraveo, P. A. ;

Casandjian, J. M. ;

Cecchi, C. ;

Charles, E. ;

Chekhtman, A. ;

Cheung, C. C. ;

Chiang, J. ;

Ciprini, S. ;

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Cohen-Tanugi, J. ;

Conrad, J. ;

Cutini, S. ;

de Angelis, A. ;

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Digel, S. W. ;

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Drell, P. S. ;

Drlica-Wagner, A. ;

Favuzzi, C. ;

Fegan, S. J. ;

Ferrara, E. C. ;

Focke, W. B. ;

Fortin, P. ;

Fukazawa, Y. ;

Funk, S. ;

Fusco, P. ;

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PHYSICAL REVIEW LETTERS, 2012, 108 (01)

[3] Fermi LAT observations of cosmic-ray electrons from 7 GeV to 1 TeV [J].

Ackermann, M. ;

Ajello, M. ;

Atwood, W. B. ;

Baldini, L. ;

Ballet, J. ;

Barbiellini, G. ;

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Baughman, B. M. ;

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Belli, F. ;

Berenji, B. ;

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Bogart, J. R. ;

Bonamente, E. ;

Borgland, A. W. ;

Brandt, T. J. ;

Bregeon, J. ;

Brez, A. ;

Brigida, M. ;

Bruel, P. ;

Buehler, R. ;

Burnett, T. H. ;

Busetto, G. ;

Buson, S. ;

Caliandro, G. A. ;

Cameron, R. A. ;

Caraveo, P. A. ;

Carlson, P. ;

Carrigan, S. ;

Casandjian, J. M. ;

Ceccanti, M. ;

Cecchi, C. ;

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Charles, E. ;

Chekhtman, A. ;

Cheung, C. C. ;

Chiang, J. ;

Cillis, A. N. ;

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Cohen-Tanugi, J. ;

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Corbet, R. ;

DeKlotz, M. ;

Dermer, C. D. ;

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[4] Searches for cosmic-ray electron anisotropies with the Fermi Large Area Telescope [J].

Ackermann, M. ;

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Borgland, A. W. ;

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Bregeon, J. ;

Brez, A. ;

Brigida, M. ;

Bruel, P. ;

Buehler, R. ;

Burnett, T. H. ;

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Caliandro, G. A. ;

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Caraveo, P. A. ;

Carrigan, S. ;

Casandjian, J. M. ;

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Celik, Oe ;

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Chekhtman, A. ;

Cheung, C. C. ;

Chiang, J. ;

Ciprini, S. ;

Claus, R. ;

Cohen-Tanugi, J. ;

Conrad, J. ;

Cuoco, A. ;

Dermer, C. D. ;

de Angelis, A. ;

de Palma, F. ;

Digel, S. W. ;

Di Bernardo, G. ;

do Couto e Silva, E. ;

Drell, P. S. ;

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Favuzzi, C. ;

Fegan, S. J. ;

Focke, W. B. ;

Frailis, M. ;

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[5] Cosmic-Ray Electron Flux Measured by the PAMELA Experiment between 1 and 625 GeV [J].

Adriani, O. ;

Barbarino, G. C. ;

Bazilevskaya, G. A. ;

Bellotti, R. ;

Boezio, M. ;

Bogomolov, E. A. ;

Bongi, M. ;

Bonvicini, V. ;

Borisov, S. ;

Bottai, S. ;

Bruno, A. ;

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Casolino, M. ;

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Pearce, M. ;

Picozza, P. ;

Pizzolotto, C. ;

Ricci, M. ;

Ricciarini, S. B. ;

Rossetto, L. .

PHYSICAL REVIEW LETTERS, 2011, 106 (20)

[6] PAMELA Measurements of Cosmic-Ray Proton and Helium Spectra [J].

Adriani, O. ;

Barbarino, G. C. ;

Bazilevskaya, G. A. ;

Bellotti, R. ;

Boezio, M. ;

Bogomolov, E. A. ;

Bonechi, L. ;

Bongi, M. ;

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Borisov, S. ;

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Castellini, G. ;

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De Pascale, M. P. ;

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Di Felice, V. ;

Galper, A. M. ;

Gillard, W. ;

Grishantseva, L. ;

Jerse, G. ;

Karelin, A. V. ;

Koldashov, S. V. ;

Krutkov, S. Y. ;

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Malakhov, V. ;

Malvezzi, V. ;

Marcelli, L. ;

Mayorov, A. G. ;

Menn, W. ;

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Mocchiutti, E. ;

Monaco, A. ;

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Nikonov, N. ;

Osteria, G. ;

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Papini, P. ;

Pearce, M. ;

Picozza, P. ;

Pizzolotto, C. ;

Ricci, M. ;

Ricciarini, S. B. .

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[7] An anomalous positron abundance in cosmic rays with energies 1.5-100 GeV [J].

Adriani, O. ;

Barbarino, G. C. ;

Bazilevskaya, G. A. ;

Bellotti, R. ;

Boezio, M. ;

Bogomolov, E. A. ;

Bonechi, L. ;

Bongi, M. ;

Bonvicini, V. ;

Bottai, S. ;

Bruno, A. ;

Cafagna, F. ;

Campana, D. ;

Carlson, P. ;

Casolino, M. ;

Castellini, G. ;

De Pascale, M. P. ;

De Rosa, G. ;

De Simone, N. ;

Di Felice, V. ;

Galper, A. M. ;

Grishantseva, L. ;

Hofverberg, P. ;

Koldashov, S. V. ;

Krutkov, S. Y. ;

Kvashnin, A. N. ;

Leonov, A. ;

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