Das AMS-Experiment
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Das AMS-Experiment (Alpha Magnetic Spectrometer) Auf der Suche nach kosmischer Antimaterie und dunkler Materie Alexander Ströer Das AMS-Experiment Seminar zur Astro-, Kern- und Teilchenphysik 2002 Das AMS-Experiment Das AMS-Experiment Seminar zur Astro-, Kern- und Teilchenphysik 2002 Übersicht • Grundlagen • Die Suche nach Antimaterie: frühere Experimente • Motivation für das AMS-Experiment • AMS: physikalische Ziele • Aufbau von AMS • Ergebnisse: AMS-01 • Erwartungen: AMS-02 Das AMS-Experiment Seminar zur Astro-, Kern- und Teilchenphysik 2002 Grundlagen: Dunkle Materie • Materie, die keine elektromagnetische Strahlung aussendet • überwiegende Teil der Gesamtmasse unseres Universums • Materie = Staub, Planeten, ausgebrannte Sterne, nicht-baryonischer Anteil (WIMPs weakly interacting massive particles) • WIMP-Teilchen nicht direkt beobachtbar (aber Annihilationsprozesse nachweisbar) Das AMS-Experiment Seminar zur Astro-, Kern- und Teilchenphysik 2002 Grundlagen: kosmische Strahlung Primäre kosmische Strahlung - Fakten: • Stammt direkt aus dem Kosmos • Elementarteilchenstrom hoher Energie • >80% aus Protonen mit E=109-1013 eV • 7% aus Alpha-Teilchen • 1% Kerne schwerer Elemente (Z>20) • Ab h≥50km nur noch primäre kosmische Strahlung Das AMS-Experiment Seminar zur Astro-, Kern- und Teilchenphysik 2002 Grundlagen: kosmische Strahlung Primäre kosmische Strahlung: Ursprung: Viele Theorien: • Alle Objekte mit einem zeitlich variablen Magnetfeld kommen als kosmische Betatrons in Frage (Supernovae, Novae, Sonnenflecken, Pulsare, Schwarze Löcher ...) Das AMS-Experiment Seminar zur Astro-, Kern- und Teilchenphysik 2002 Grundlagen: kosmische Strahlung Sekundäre kosmische Strahlung - Fakten: • Entstehung: WW primären Strahlung ↔ Kerne der Erdatmosphäre • Praktisch alle Elementarteilchen in sekundärer Strahlung vertreten • Ab h<20km nur noch sekundäre kosmische Strahlung anzutreffen • Unterscheidung: weiche Komponente / harten Komponente Das AMS-Experiment Seminar zur Astro-, Kern- und Teilchenphysik 2002 Grundlagen: Antimaterie Dirac • E=± mc2 (Sonderfall p=0, E2=m2c4+p2c2 SRT) • Positron postuliert Das AMS-Experiment Seminar zur Astro-, Kern- und Teilchenphysik 2002 Grundlagen: Antimaterie Antimaterie „Axiome“: • Aus jedem Energiebetrag läßt sich Teilchen und gleichzeitig sein Antiteilchen erzeugen • Umkehrprozeß: Teilchen + Antiteilchen = Vernichtung • → Antimaterie entsteht durch Zusammenfügen von Antiteilchen • Für Antimaterie: gleiche physikalischen Gesetze wie für Materie gültig Das AMS-Experiment Seminar zur Astro-, Kern- und Teilchenphysik 2002 Grundlagen: Antimaterie Das AMS-Experiment Seminar zur Astro-, Kern- und Teilchenphysik 2002 Die Suche nach Antimaterie: frühere Experimente • 1932: Positron in kosmischer Strahlung entdeckt (Carl Anderson). • 1955: Nachweis Antiprotonen am Bevatron in Berkeley, California (Ernest Lawrence, Emilio Segre) • 1965: gleichzeitige Beobachtung eines Antideuterons (Antiproton + Antineutron) sowohl am Protonsynchroton CERN als auch am Alternating Gradient Synchrotron (AGS) accelerator am Brookhaven National Laboratory, New York Das AMS-Experiment Seminar zur Astro-, Kern- und Teilchenphysik 2002 Die Suche nach Antimaterie: frühere Experimente • 1995: Low Energy Antiproton Ring (LEAR) CERN: 9 Antiatome erzeugt • 1997: Fermilab: Erzeugung von Antiwasserstoff (im relativistischen Zustand) Das AMS-Experiment Seminar zur Astro-, Kern- und Teilchenphysik 2002 Die Suche nach Antimaterie: frühere Experimente • Heute: Antiproton Decelerator CERN mit 3 Experimenten: ASACUSA, ATHENA, ATRAP • 16 Sept 2002: ATHENA produziert Tausende von Antiatomen Das AMS-Experiment Seminar zur Astro-, Kern- und Teilchenphysik 2002 Die Suche nach Antimaterie: Experimente - kosmische Strahlung Indirekt: Suche nach charakteristischer Gammastrahlung (→Vernichtung) im interstellaren oder intergalaktischen Gas: • Benötigt: Dichte des Gases limitiert in Skalen kleiner als die Größe von Galaxienhaufen. • Ergebnis: NEGATIV: Antimaterie höchstens in Anhäufungen größer als Galaxienhaufen (> 20 Mpc) Das AMS-Experiment Seminar zur Astro-, Kern- und Teilchenphysik 2002 Die Suche nach Antimaterie: Experimente - kosmische Strahlung Direkt: Suche nach Antiteilchen in der kosmischen Strahlung • In den letzten 20 Jahren: Ballonexperimente • Spektrometer: wenige Tage dauernde Expositionszeit, eingeschränkte Akzeptanz, begrenzte Höhe (~40 km) 3 g/cm2 Atmosphäre über sich Das AMS-Experiment Seminar zur Astro-, Kern- und Teilchenphysik 2002 Die Suche nach Antimaterie: Experimente - kosmische Strahlung Ergebnisse: • Leichte Überschreitung der Erwartung im Anteil für Positronen und Antiprotonen entstanden in Sekundärprozessen • Grenzen der Detektierbarkeit: Antikerne/Kerne mit Z ≥ 2 bei 10- 4 bis 10- 5 Das AMS-Experiment Seminar zur Astro-, Kern- und Teilchenphysik 2002 Die Suche nach Antimaterie: Experimente - kosmische Strahlung Das AMS-Experiment Seminar zur Astro-, Kern- und Teilchenphysik 2002 Motivation für das AMS-Experiment • bisher keine Beweise für Antimaterie in einer Entfernung von 10 Mpc zur Erde • Baryogenesemodelle (Entwicklung symmetrisches Universum → asymmetrisches Universum): - Universum frei von Antimaterie - Materie- und Antimaterieanhäufungen • Anti-Baryogenesemodelle Das AMS-Experiment Seminar zur Astro-, Kern- und Teilchenphysik 2002 Motivation für das AMS-Experiment Baryogenese: • Nichterhaltung Baryonenzahl • C/CP Verletzung • Abschied vom thermischen Gleichgewicht Antibaryogenese: • Verschiedene C/CP-Verletzungsamplituden (spontan/stochastisch) • Exponentielles, gemässigtes Aufblasen von Regionen mit grossen CP-Verletzungen Das AMS-Experiment Seminar zur Astro-, Kern- und Teilchenphysik 2002 Motivation für das AMS-Experiment • Verhältniss: Überschuss Materie Antimaterie β= (NB-NAB)/Nγ ≈ 6x10-10 Nγ=412/cm3, NB»NAB Das AMS-Experiment Seminar zur Astro-, Kern- und Teilchenphysik 2002 Motivation für das AMS-Experiment Modelle Baryogenese • „Heavy particle decay“ in GUT mit XBosonzerfall in Quark/Antiquark/Leptoquark • „Electroweak“ – Phasenübergang EWbroken/EW-unbroken→Problem Higgsmasse • „Baryo-thru-lepto-genesis“ (Majorana-Neutrino / Leptonasymmetrie / elektroschwach) • „Black hole evaporation“ (Auflösung von Schwarzen Löchern niedriger Masse) • „Spontane Baryogenese“ • „SuSy condensate baryogenese“ Das AMS-Experiment Seminar zur Astro-, Kern- und Teilchenphysik 2002 Motivation für das AMS-Experiment Modelle Antibaryogenese • Primordial black holes Das AMS-Experiment Seminar zur Astro-, Kern- und Teilchenphysik 2002 AMS: physikalische Ziele Suche nach Antimaterie • Messung des Anteils von Antimaterienukliden in der kosmischen Strahlung in einer deutlich höheren Präzision als in vorangegangenen Experimenten. • Antikerne mit |Z|≥2 können nicht in Sekundärprozessen gewonnen werden Anti-He/Anti-p=10-10 ; Anti-C/Anti-p=10-56 • Beweis galaktische Antimaterie (Bei Antikohlenstoff Beweis für Antimateriesterne) Das AMS-Experiment Seminar zur Astro-, Kern- und Teilchenphysik 2002 AMS: physikalische Ziele Untersuchung der dunklen Materie • WIMP- Zerfälle in Elektron-Positron-Paare oder in Protonen und Antiprotonen durch Präzisionsmessungen der Zerfallsspektren nachweisbar • Messung des Anteils von Protonen und Antiprotonen in kosmischer Strahlung Das AMS-Experiment Seminar zur Astro-, Kern- und Teilchenphysik 2002 AMS: physikalische Ziele Einsatz als Gammastrahlenteleskop mit einer weiten Energieerfassung (Annihilation) • Weiterführung der Erforschung von galaktischen und extragalaktischen Gammastrahlenquellen, begonnen vom EGRET-Experiment Verbesserung der laufenden Messungen der isotopischen Zusammenstellung der leichten Elemente in der kosmischen Strahlung Das AMS-Experiment Seminar zur Astro-, Kern- und Teilchenphysik 2002 AMS: Konstruktion • Bei Start/Landung treten Beschleunigungen bis zu 9g auf • Das Experiment wird im Vakuum betrieben • Temperaturschwankungen von –180 / +50 °C • Maximale Ausgasrate auf der ISS: < 1x10-14 g/s/cm2 • Maximales Gewicht 13500 lbs (Kosten: 10000 $/lbs) • Maximale Leistungsaufnahme: 2kW,1 Stromkabel mit 120 V • Maximale Datenrate: 1Mbyte/s (optischer Link zur ISS) Das AMS-Experiment Seminar zur Astro-, Kern- und Teilchenphysik 2002 AMS-01 Hauptziel: • Verifizierung der vollen Detektorperformance • Hintergrundstudien (gegenläufige, fehlidentifizierte Nuklei und durch Albedos) Das AMS-Experiment Seminar zur Astro-, Kern- und Teilchenphysik 2002 AMS-01: Permanentmagnet • Nd-Fe-B Permanentmagnet: • 2,5 Tonnen • Bmax = 0,14 T • Dipolares Feld Das AMS-Experiment Seminar zur Astro-, Kern- und Teilchenphysik 2002 AMS-01/02: Silicon Tracker • 6 (8) horizontale Lagen von doppelseitigen SilikonMikrostreifenDetektoren • 4 im inneren des Magnethohlraumes, 2 darüber / darunter Das AMS-Experiment Seminar zur Astro-, Kern- und Teilchenphysik 2002 AMS-01/02: Silicon Tracker Das AMS-Experiment Seminar zur Astro-, Kern- und Teilchenphysik 2002 AMS-01/02: Silicon Tracker • Jeder Strip wird alle 100 (200) µm in xRichtung abgelesen Auflösung: ~10µm in Ablenkrichtung ~30µm orthogonal Aufgaben: • Ladungsvorzeichen • Energieverlust (dE/dx) • Steifigkeit (p/Z) (rigidity) Das AMS-Experiment Seminar zur Astro-, Kern- und Teilchenphysik 2002 AMS-01/02: Szintillatorsystem Time of Flight Szintillatoren • Fläche: 14 Szintillatorpaddles (11cm breit, 1cm dick), angeordnet mit 1cm Überlapp. • Paddles: Jedes Paddle wird am Ende mit 3 Photomultiplierröhren gescannt • Auflösungsvermögen: besser als 100 ps • Ziel: Determinierung der Geschwindigkeit und Richtung der einfallenden Teilchen, Triggereinstellung Das AMS-Experiment Seminar zur Astro-, Kern- und Teilchenphysik 2002 AMS-01/02: Szintillatorsystem Antikoinzidenz Szintillatoren (ACC) • Paddle: 800 mm lang, 8 mm dick. • Ausgelesen von jeweils einer Photomultiplierröhre • Ziel: Elimination seitlich eindringender Teilchen Das AMS-Experiment Seminar zur Astro-, Kern- und Teilchenphysik 2002 AMS-01: Aerogel Treshold Cerenkov Counter (ATC) • Besteht aus 2 Lagen von 10x10 cm2 Zellen von 7cm dicken Aerogel, unterteilt von einer Hauptplatte mit einer Dicke von 1.7cm • Cerenkov-Photonen durch wavelength shifter zur Photomultiplierröhre • Totale Elektronen-rejection-power des ATC ist 104 • Brechungsindex (n = 1.065) der Aerogelblöcke erlaubt eine Antiprotonenidentifikation bis zu 4 GeV • Ziel: Trennung von Elektronen und Antiprotonen Das AMS-Experiment Seminar zur Astro-, Kern- und Teilchenphysik 2002 AMS-01: Aerogel Treshold Cerenkov Counter (ATC) Das AMS-Experiment Seminar zur Astro-, Kern- und Teilchenphysik 2002 AMS-01/02 Low Energie Particle Shield 10 mm Kohlenstoffverbundmaterial Ziel: Unterdrückung des Untergrunds bis E=5MeV Das AMS-Experiment Seminar zur Astro-, Kern- und Teilchenphysik 2002 AMS-01 Das AMS-Experiment Seminar zur Astro-, Kern- und Teilchenphysik 2002 AMS-01 Das AMS-Experiment bei letzten Vorbereitungen am Kennedy Space Center (KSC), danach erfolgt der Einbau in die Ladebucht des Space Shuttles. Das AMS-Experiment Seminar zur Astro-, Kern- und Teilchenphysik 2002 Das AMS-Experiment Seminar zur Astro-, Kern- und Teilchenphysik 2002 AMS-01 Das AMS-Experiment Seminar zur Astro-, Kern- und Teilchenphysik 2002 AMS-01: Ergebnisse • 90 Stunden Datenaufzeichnung • Unterschiedliche Einstellungen und Höhen (h=320-390 km) • Breitengrade ±51.7, alle Längengrade • Operation ohne Probleme, 108 trigger • Identifiziert: e±, p, D, He, schwere Kerne • Verbesserungsvorschläge: – mächtigerere Teilchenidentifikation – mehr Redundanz – weniger trigger bias Das AMS-Experiment Seminar zur Astro-, Kern- und Teilchenphysik 2002 AMS-01 Das AMS-Experiment Seminar zur Astro-, Kern- und Teilchenphysik 2002 Ergebnisse: AMS-01 Suche nach Antihelium Das AMS-Experiment Seminar zur Astro-, Kern- und Teilchenphysik 2002 Ergebnisse: AMS-01 Suche nach Antihelium • Kein passender Kandidat mit Z = -2 • Hypothese: selbes Spektrum für He and AntiHe • AMS-01 98: R < 100GV : AntiHe/He < 1.1 × 10-6 • Kein Kandidat für schwere Antikerne Li - N • Messgrenze 5 × 10-5 Das AMS-Experiment Seminar zur Astro-, Kern- und Teilchenphysik 2002 Ergebnisse AMS-01 Teilchengürtel im Erdmagnetfeld entdeckt Das AMS-Experiment Seminar zur Astro-, Kern- und Teilchenphysik 2002 Ergebnisse AMS-01 Das AMS-Experiment Seminar zur Astro-, Kern- und Teilchenphysik 2002 AMS-01 Ergebnisse • Zuviele Positronen • Zuviel 3He Das AMS-Experiment Seminar zur Astro-, Kern- und Teilchenphysik 2002 AMS-02: Supraleitender Magnet • Lebensdauer: 3 Jahre ohne Nachfüllen • Dipolares magnetisches Feld bei 0.87 T • Strom = 450 A • Betriebstemp. = 1,8 K • 2600 l superfluides He • Masse ca. 3 Tonnen Das AMS-Experiment Seminar zur Astro-, Kern- und Teilchenphysik 2002 AMS-02: RICH Ring imaging Cherenkov detector Ziel: • Ladungsbestimmung bis Z=25 • Geschwindigkeitsbestimmung Das AMS-Experiment Seminar zur Astro-, Kern- und Teilchenphysik 2002 AMS-02: RICH@COMPASS Das AMS-Experiment Seminar zur Astro-, Kern- und Teilchenphysik 2002 AMS-02: SRD Synchrotron radiation detector • Größe: 2 mal 3 Meter Ziel: • Nachweis von TeV Elektronen und PeV Protonen aufgrund ihrer Synchrotronstrahlung im Erd-Magnetfeld Das AMS-Experiment Seminar zur Astro-, Kern- und Teilchenphysik 2002 AMS-02: TRD • Transition radiation detector • Messbereich bis 300 GeV (für Protonen) Ziel: • Elektron/Hadron Trennung (besser 10-3) Das AMS-Experiment Seminar zur Astro-, Kern- und Teilchenphysik 2002 AMS-02: Ecal 3D Kalorimeter EM-calorimeter Ziel: • Ausweitung der Elektron/Hadron Trennung bis ca. 1 TeV Das AMS-Experiment Seminar zur Astro-, Kern- und Teilchenphysik 2002 Erwartungen AMS-02 Das AMS-Experiment Seminar zur Astro-, Kern- und Teilchenphysik 2002 Erwartungen AMS-02 Das AMS-Experiment Seminar zur Astro-, Kern- und Teilchenphysik 2002 Erwartungen AMS-02 Das AMS-Experiment Seminar zur Astro-, Kern- und Teilchenphysik 2002 PAMELA Das AMS-Experiment Seminar zur Astro-, Kern- und Teilchenphysik 2002 Quellenverzeichnis • AMS CERN ams.cern.ch • A.D. Dolgov. Antimatter in the universe. arXiv:astro-ph/0207441 v1 20 Jul 2002 • Martin Pohlmar: The AMS Experiment: Particle Astrophysics in Space http://committees.web.cern.ch/Committees/ECFA/MPohlmar02.pdf • Trento Summary: Antimatter & Darkmatter Search status http://accms04.physik.rwth-aachen.de/~ams/ ams02/talks/trento/trento.pdf • Tag der Raumfahrt: Das AMS-Experiment http://accms04.physik.rwthaachen.de/~ams/news/SpaceDay20010921/ ams_faltblatt_2001_09_21.pdf • Jay Orear. Physik. München 1982 • Gerthsen. Physik. Freising 1995 Das AMS-Experiment Seminar zur Astro-, Kern- und Teilchenphysik 2002
