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
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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)
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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
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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 ...)
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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
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Grundlagen: Antimaterie
Dirac
• E=± mc2
(Sonderfall p=0, E2=m2c4+p2c2 SRT)
• Positron postuliert
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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
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Grundlagen: Antimaterie
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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
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Die Suche nach Antimaterie:
frühere Experimente
• 1995: Low Energy
Antiproton Ring
(LEAR) CERN: 9
Antiatome erzeugt
• 1997: Fermilab:
Erzeugung von
Antiwasserstoff (im
relativistischen
Zustand)
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Die Suche nach Antimaterie:
frühere Experimente
• Heute: Antiproton
Decelerator CERN
mit 3 Experimenten:
ASACUSA, ATHENA,
ATRAP
• 16 Sept 2002:
ATHENA produziert
Tausende von
Antiatomen
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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)
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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
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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
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Die Suche nach Antimaterie:
Experimente - kosmische Strahlung
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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
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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
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Motivation für das AMS-Experiment
• Verhältniss: Überschuss Materie
Antimaterie
β= (NB-NAB)/Nγ ≈ 6x10-10
Nγ=412/cm3, NB»NAB
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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“
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Motivation für das AMS-Experiment
Modelle
Antibaryogenese
• Primordial black
holes
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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)
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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
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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
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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)
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AMS-01
Hauptziel:
• Verifizierung der vollen Detektorperformance
• Hintergrundstudien (gegenläufige,
fehlidentifizierte Nuklei und durch Albedos)
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AMS-01: Permanentmagnet
• Nd-Fe-B
Permanentmagnet:
• 2,5 Tonnen
• Bmax = 0,14 T
• Dipolares Feld
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AMS-01/02: Silicon Tracker
• 6 (8) horizontale
Lagen von doppelseitigen SilikonMikrostreifenDetektoren
• 4 im inneren des
Magnethohlraumes,
2 darüber / darunter
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AMS-01/02: Silicon Tracker
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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)
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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
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AMS-01/02: Szintillatorsystem
Antikoinzidenz Szintillatoren (ACC)
• Paddle: 800 mm lang, 8 mm dick.
• Ausgelesen von jeweils einer
Photomultiplierröhre
• Ziel: Elimination seitlich eindringender Teilchen
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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
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AMS-01: Aerogel Treshold
Cerenkov Counter (ATC)
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AMS-01/02 Low Energie Particle
Shield
10 mm Kohlenstoffverbundmaterial
Ziel:
Unterdrückung des Untergrunds bis
E=5MeV
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AMS-01
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AMS-01
Das AMS-Experiment bei letzten Vorbereitungen am Kennedy Space Center
(KSC), danach erfolgt der Einbau in die Ladebucht des Space Shuttles.
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AMS-01
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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
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AMS-01
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Ergebnisse: AMS-01
Suche nach Antihelium
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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
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Ergebnisse AMS-01
Teilchengürtel
im
Erdmagnetfeld entdeckt
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Ergebnisse AMS-01
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AMS-01 Ergebnisse
• Zuviele Positronen
• Zuviel 3He
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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
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AMS-02: RICH
Ring imaging Cherenkov detector
Ziel:
• Ladungsbestimmung bis Z=25
• Geschwindigkeitsbestimmung
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AMS-02: [email protected]
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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
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AMS-02: TRD
• Transition radiation detector
• Messbereich bis 300 GeV (für Protonen)
Ziel:
• Elektron/Hadron Trennung (besser 10-3)
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AMS-02: Ecal 3D Kalorimeter
EM-calorimeter
Ziel:
• Ausweitung der Elektron/Hadron Trennung
bis ca. 1 TeV
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Erwartungen AMS-02
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Erwartungen AMS-02
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Erwartungen AMS-02
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PAMELA
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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
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