Suche nach konvertierten Photonen mit dem AMS01Detektor
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Suche nach konvertierten Photonen mit dem AMS01­Detektor Jan Hattenbach für die AMS­Kollaboration I. Physikalisches Institut B RWTH Aachen Bad Honnef, 24.08.2005 Gliederung ● Motivation ● Der AMS01­Detektor ● Nachweisprinzip für konvertierte Photonen Jan Hattenbach ● Ergebnisse ● Ausblick Bad Honnef, 24.08.2005 Motivation I: Kosmische Strahlung hauptsächlich geladene Teilchen: Protonen, He­Kerne, Elektronen, Positronen, Antiprotonen... Vorteile von Photonen: ● nicht geladen, unterliegen nicht dem Einfluß der (inter)galaktischen Magnetfelder – Bestimmung der Quellen ● stabil ● leicht nachweisbar Erwarteter Fluß bei (10 ± 0.5) GeV (AMS01): 3­4 pro Stunde Jan Hattenbach Bad Honnef, 24.08.2005 Motivation II: Photonen in der kosmischen Strahlung ● ● ● ● C.H. Chung Jan Hattenbach Zerfall von neutralen Pionen aus hadronischen Wechselwirkungen Inverse Compton­ Streuung Bremsstrahlung von Elektronen extragalaktischer Untergrund Bad Honnef, 24.08.2005 Motivation III: Photonen und Dunkle Materie Nur ~4% des Universums besteht aus “bekannter” Materie! ~1/3 “Dunkle Materie” ~2/3 “Dunkle Energie” Wir wissen so gut wie nichts über die Dunkle Materie, noch weniger über die Dunkle Energie! Zumindest für DM: Modelle, z.B. SuSY Kandidat für supersymmetrische DM: Neutralino (LSP) stabil bei R­Paritätserhaltung, kann paarweise annihilieren ➔ dabei entstehen Protonen, Elektronen, Positronen, Antiprotonen, Photonen,... Jan Hattenbach Bad Honnef, 24.08.2005 Motivation IV viele verschiedene, teils widersprüchliche Modelle W. deBoer kaum aussagekräftige Messungen bei E >10 GeV (obere 3 EGRET­Punkte: keine Kalibration im Testbeam) Messungen der kosmischen Photonenstrahlung für Energien > 10 GeV benötigt! Jan Hattenbach Bad Honnef, 24.08.2005 Der AMS01­Detektor Space Shuttle Mission STS­91 (Discovery) Juni 1998 Dauer: 10 Tage Flughöhe: 320 ­ 390 km AMS Machbarkeitsstudie für AMS02 (2008, 3 Jahre auf der ISS) Jan Hattenbach Bad Honnef, 24.08.2005 AMS01: Aufbau Komponenten: ● ● ● ● ● Spurdetektor (Tracker): Si­ Streifendetektor, 6 doppelseitige Lagen für tracking, dE/dx­ Messungen für Z > 1 Permanentmagnet 0.15 T Time­of­Flight (ToF): 2 Szintillator­ Doppellagen, Trigger, beta­ Messung, Flugrichtung Silizium­Vetozähler Aerogel­Cherenkov­Zähler, 2 Lagen, e/p – Separation bis 3.5 GeV erkennt nur geladene Teilchen: für Photonenspektroskopie Prozesse höherer Ordnung notwendig Jan Hattenbach Bad Honnef, 24.08.2005 AMS01: Der Tracker ● ● ● ● ● ● Jan Hattenbach doppelseitige Si­ Streifendetektoren 6 Lagen ca 2 m2 aktive Fläche Auflösung: 20 in bending plane, 33 in non­bending plane Impulsauflösung: ~10% bei 1­10 GeV aus Zeitgründen nicht vollständig bestückt Bad Honnef, 24.08.2005 Flugverlauf von AMS01 ca. 184 Stunden Datennahme 108 Ereignisse (87% Protonen, 11% Heliumkerne, 2% Elektronen, ...) Datennahme bei verschiedenen Zenitwinkeln: Albedo­Run (180°) Andockphase an die MIR verschiedene Zenitwinkel (0°, 20°, 45°) Jan Hattenbach Bad Honnef, 24.08.2005 Materialbudget AMS01 Materialbudget der außerhalb des Trackers liegenden Detektorkomponenten unterschiedlich für “abwärts” und “aufwärts” fliegende Teilchen. AMS “abwärts”: 18,2 % X0 (Isolierung, ToF, LEPS) “aufwärts”: 31,6 % X0 (zusätzlich Shuttleboden, Aerogel) nur während Albedo­run, MIR­Kopplung Jan Hattenbach Bad Honnef, 24.08.2005 Messung von konvertierten Photonen mit AMS01 AMS01­Detektor konzipiert für die Analyse von Einzelspurereignissen Nachteil: bei höheren Energien Limitierung durch mangelnde Untergrund­Diskriminierung mit dem Cherenkov­Zähler Analyse von Mehrspur­Ereignissen eröffnet zuvor unerreichte Energiebereiche ➔ Ausnutzung von Bremsstrahlung und Konversion ● ● 3­Spur Ereignisse: (Bremsstrahlung und anschließende Konversion des Bremsstrahlungsphotons): Positronenspektroskopie (J. Olzem, H.Gast) 2­Spur Ereignisse: Konversion kosmischer Photonen Jan Hattenbach Bad Honnef, 24.08.2005 Ein Monte­Carlo­Event upper ToF Tracker lower ToF bending plane RICH positron Jan Hattenbach electron Bad Honnef, 24.08.2005 Untergrund I Ziel: Übertragung bzw. Anpassung der Positronanalyse von 3­Spur­Ereignissen auf 2­Spur Ereignisse Problem: Signaldefinition Rauschen, Knock­On­ Elektronen lassen Einzelspuren (meist Protonen) als 2­Spur­ Ereignisse erscheinen. Abhilfe: Suche die Clusterschwerpunkte jeder Lage und fitte eine Gerade: Schnitt auf das Jan Hattenbach Bad Honnef, 24.08.2005 Gang der Analyse 1 ∙ 108 Ereignisse Vorselektion: mindestens 3 Lagen mit genau 2 Clustern 59412 Kandidaten Analyse: Spurfit, Bestimmung des primären Impulses,... Qualitätsschnitte: ● ● ● 200 MeV < p < 50 GeV des Spurfits Ladungsvorzeichen der Spuren 3760 Kandidaten physikalische Schnitte: ● ● ● Winkel zwischen Elektron und Positron < 0.02 rad Invariante Masse des primären Photons < 10 MeV y­Abstand der Spuren am Vertex < 1 cm 394 Kandidaten Jan Hattenbach Bad Honnef, 24.08.2005 Invariante Masse des rekonstruierten Photons vor physikalischen Schnitten Jan Hattenbach minv < 10 MeV y­Spurabstand am Vertex < 1cm Bad Honnef, 24.08.2005 y­Abstand der Spuren am Vertex vor physikalischen Schnitten Jan Hattenbach minv < 10 MeV y­Spurabstand am Vertex < 1cm Bad Honnef, 24.08.2005 Öffnungswinkel zwischen Positron und Elektron vor physikalischen Schnitten Jan Hattenbach minv < 10 MeV y­Spurabstand am Vertex < 1cm Bad Honnef, 24.08.2005 rekonstruierter Impuls des Photons vor physikalischen Schnitten Jan Hattenbach minv < 10 MeV y­Spurabstand am Vertex < 1cm Bad Honnef, 24.08.2005 Untergrund II hauptsächlich Protonen und Knock­On­Elektronen aufgrund eines maximalen Energieübertrags auf das Elektron: Öffnungswinkel größer als Minimalwert Jan Hattenbach Bad Honnef, 24.08.2005 Knock­On­Elektronen Knock­On­Elektronenereignisse gleichverteilt in zwei Kategorien: Schnitt auf Winkel bzw. inv. Masse Signal + Untergrund Öffnungswinkel [rad] Untergrund Öffnungswinkel [rad] Knock­On­Elektronenereignisse werden durch Schnitt auf den Öffnungswinkel (die invariante Masse) eliminiert Jan Hattenbach Bad Honnef, 24.08.2005 vorläufige Ergebnisse Teilchenfluß (unabhängig vom Detektor): Teilchenzahl (E) geometrische Akzeptanz (E) · Meßzeit Teilchenzahl N(E): [ GeV ∙ m2 ∙ sr ∙ s ]­1 Meßzeit hier Energieunabhängig! Akzeptanz (aus MC): nur 47 Einträge Jan Hattenbach Bad Honnef, 24.08.2005 vorläufige Ergebnisse: Impulsauflösung MC­Impuls / rekonstruierter Impuls ebenfalls abhängig von Photon­MonteCarlo: z. Zt. noch geringe Statistik vergleichbar der Impulsauflösung für Einzelspuren in AMS01 Jan Hattenbach Bad Honnef, 24.08.2005 vorläufiger (!) Teilchenfluß Fehlerbalken durch Akzeptanz dominiert geringe Statistik Photonenfluß etwa Faktor 2 höher als EGRET­Daten Jan Hattenbach Bad Honnef, 24.08.2005 offene Fragen vorläufiger Photonenfluß etwa 2fach höher als vorherige Messungen, allerdings nicht direkt vergleichbar! ● ● ● ● ● noch keine Untergrundkorrektur weiterer Untergrund: Protonen, Elektronen, Positronen Punktquellen (in EGRET­Daten entfernt) Akzeptanzbestimmung genaue Meßzeit (ohne MIR­Kopplung) 43 Kandidaten oberhalb von 10 GeV Jan Hattenbach Bad Honnef, 24.08.2005 Ausblick ● Bestimmung des vollständigen Untergrunds ● Proton­MC­Produktion 200 Mev < p < 6 GeV ● evtl. Elektron und Positron MC ● Untergrund abtrennbar? ● genaue Meßzeit ● “aufwärts” ­ Ereignisse: höheres Materialbudget! ● Photon­MC­Produktion und Akzeptanzbestimmung ● Richtungsbestimmung aus Shuttlekoordinaten, Abtrennung von Punktquellen? AMS01 wurde nicht als Photonendetektor konzipiert! Jan Hattenbach Bad Honnef, 24.08.2005 Ausblick II Photonenanalyse mit AMS02 (Start 2008) 3 Jahre kontinuierliche Messung auf der ISS Jan Hattenbach Bad Honnef, 24.08.2005 Jan Hattenbach Bad Honnef, 24.08.2005
