AMS-02, ein Detektor auf der ISS zur Suche nach dunkler Materie

AMS-02, ein Detektor auf der ISS
zur Suche nach dunkler Materie
Prof. Wim de Boer, AVKA, Karlsruhe, 09.12.2013
INSTITUT FÜR EXPERIMENTELLE KERNPHYSIK
IKARLSRUHER INSTITUT FÜR TECHNOLOGIE
73% dunkle Energie
23% dunkle Materie
KIT – University of the State of Baden-Wuerttemberg and
National Research Center of the Helmholtz Association
4% sichtbare Materie
www.kit.edu
Übersicht
Entdeckung der dunklen Energie (DE)
(= Energieform mit abstoßender Gravitation)
Perlmutter, Schmidt, Riess, Nobelpreis 2011
Entdeckung
g der dunklen Materie (DM)
(
)
(Zwicky, 1932)
Suche nach der Natur der DM am KIT:
 CMS Exp. am LHC (Labor)
 Edelweiss Experiment (unterirdisch)
 AMS Experiment (auf der ISS)
Prof. W. de Boer, KIT
AVKA, Naturkundemuseum Karlsruhe, 09.12.2013
2
Beschleunigte Expansion des Universums
Perlmutter,Schmidt
und Riess haben Supernovae
„geblitzt“ und aus der
Geschwindigkeit und
Leuchtkraft die Expansion
des Universums berechnet
Nobelpreis 2011 für die
Entdeckung der
beschleunigten Expansion
des Universums
Prof. W. de Boer, KIT
AVKA, Naturkundemuseum Karlsruhe, 09.12.2013
3
Hubble Bild der Supernova 1987A Explosion
aufgenommen am 6. Februar, 1998
SN Ia sind Standardkerzen, d.h. bekannte Leuchtkraft.
Aus gemessener Helligkeit kann man den Abstand bestimmen.
Durch die Schockwelle
werden geladene Teilchen
enorm beschleunigt.
Diese hochenergetische
kosmische Strahlung
g ist
unsichtbar für das Auge,
aber die Rate ist enorm:
ca. 75 Teilchen pro m2 pro Sek.
(auf der Erde)
Diese Strahlung kann man
mit Teilchendetektoren, wie
AMS-02, nachweisen.
Prof. W. de Boer, KIT
AVKA, Naturkundemuseum Karlsruhe, 09.12.2013
4
Entdeckung der dunklen Materie
Center of the Coma Cluster by
Hubble space telescope ©Dubinski
Zwicky entdeckte in 1933, dass
Galaxien im COMA Cluster zu hohe
Geschwindigkeiten für das
Gravitationspotential der
sichtbare Materie haben.
Prof. W. de Boer, KIT
Lösung: es muss zusätzliche
„dunkle“ Materie geben (ca.
90% aller Materie!)
AVKA, Naturkundemuseum Karlsruhe, 09.12.2013
5
Geschwindigkeit d
der Planeten [km/s]
Rotationskurve der Planeten der Sonne
Theorie
v∝ √M/R
Abstand zur Sonne R [AU]
Prof. W. de Boer, KIT
AVKA, Naturkundemuseum Karlsruhe, 09.12.2013
6
Rotationskurve einer Galaxie
v∝ √M/R
Rotationsgeschwindigkeit nimmt zu mit Masse innerhalb des Radius.
Rotationskurve „flach“  viel unsichtbare Masse bei großen Radien.
Dies muss neutrale, schwach wechselwirkende Materie sein. Ansonsten
Energieverluste durch Wechselwirkungen. Daher nennt man diese dunkle
7
AVKA, Naturkundemuseum
Karlsruhe,
09.12.2013
Prof. W. de Boer, KITWIMP = Weakly
Materieteilchen:
Interacting Massive
Particle)
Unsere Galaxie: die Milchstraße
Aus der Umlaufgeschwindigkeit der Sonne von 900.000 km/h
8
AVKA, 1
Naturkundemuseum
Karlsruhe, 09.12.2013
Prof. W. de Boer,
KIT lokal: ca.
berechnet
man
WIMP/Kaffeetasse
Bildung der Galaxien aus Dichteschwankungen
unter Einfluss der Schwerkraft
Steinmetz, Potsdam
AVKA, Naturkundemuseum Karlsruhe, 09.12.2013
W. de
Boer,
KIT
DM Prof.
> 80%
der
Materie,
bestimmt
also Schwerkraft. Sichtbare Materie (Gas)9folgt.
Colliding Clusters zeigen zwei Komponenten der Materie:
sichtbare und dunkle Materie mit nur schwacher Wechselw.
Aus Geschwindigkeiten kann man schließen, dass
„Bullet Cluster“ vorher mit einem anderen Cluster zusammen
gestoßen ist
Rot:
sichtbares
Gas
Blau: dunkle Materie
aus Gravitationspotential
Prof. W. de Boer, KIT
Rot:
sichtbares
Gas
Blau:
dunkle Materie
aus Gravitationspotential
AVKA, Naturkundemuseum Karlsruhe, 09.12.2013
10
Simulation der “Colliding Clusters”
http://www.sciam.com/
August 22, 2006
Prof. W. de Boer, KIT
AVKA, Naturkundemuseum Karlsruhe, 09.12.2013
11
Thermische Geschichte der WIMPS
Beobachtete Dichte
Comoving numbe
er density
Jungmann,Kamionkowski,, Griest, PR 1995
Dichte als Funktion der Temp.
T>>M: f+f->M+M; M+M->f+f
T<M:
M+M->f+f., d.h. keine Produktion
der DM mehr , nur noch Vernichtung
(Annihilation) .WIMP Dichte unterhalb
dieser Temperatur eingefroren.
DM nimmt wieder zu in Galaxien:
≈1 WIMP/Kaffeetasse ≈105 <ρ>. DMA
( ρ2) fängt wieder an.
(∝ρ
an
Annihilation in leichtere Teilchen, wie
Quarks und Leptonen -> Zerfälle ->
Gammas, Positronen, Antiprotonen,
Neutrinos
x=m/T
Prof. W. de Boer, KIT
Einzige Annahme: WIMP = thermisches
Relikt, d.h. im thermischen Bad des
frühen Universums erzeugt.
AVKA, Naturkundemuseum Karlsruhe, 09.12.2013
12
Indirekte Suche nach DM im Weltall
DM Vernichtung könnte starke
Quelle für Antimaterie sein!
Alle Details bekannt von ElektronPositron Vernichtung
(am LEP Beschleuniger studiert)
Jedoch Untergrund der
kosmischen Strahlung, die mit
dem Gas kollidiert  Antimaterie
und Gammastrahlung.
Spektra von Signal und
Untergrund jedoch
unterschiedlich und bekannt aus
Beschleunigerexp,
@http://theastronomist.fieldofscience.com/2010/05/dark-matter-confronts-observations.html
Prof. W. de Boer, KIT
AVKA, Naturkundemuseum Karlsruhe, 09.12.2013
13
Positro
on Anteil e+ /(e+ + e-)
Erwartungen für Kollisionen von WIMPS
Dunkle Materie Model von I. Cholis et al., arXiv:0810.5344
mχ=800 GeV
mχ=400 GeV
maximale
Energie
gegeben durch
WIMP Masse
0.1
10
Prof. W. de Boer, KIT
102
e± energy [GeV]
AVKA, Naturkundemuseum Karlsruhe, 09.12.2013
14
Das Physikprogramm von AMS
γ ,ν
Hubble, Chandra, Fermi
Discoveries:
(1) Pulsar,
(2) Microwave,
(3) Binary Pulsars,
(4) X Ray sources,
solar neutrinos
(5) Dark Matter,
Dark Energy
……
WHIPPLE,
HESS,
VERITAS,
2. Charged components
gamma rays: AMS
…
HiRes
SUPER K
AUGER
Prof. W. de Boer, KIT
AVKA, Naturkundemuseum Karlsruhe, 09.12.2013
15
Das Alpha-Magnet-Spektrometer auf der
Internationalen Raumstation ISS seit Mai, 2011
Sichtbar mit bloßem Auge in KA am 10.12.2013 um 5:42:22
für 1 Minute und 29 Sek.
(ISS APP oder http://iss.de.astroviewer.net/beobachtung.php)
Science on the ISS
AMS
Prof. W. de Boer, KIT
January 5, 2007
ISS: 109 m x 80 m
Cost: $ 100 billion
Life time 20 years
16
AVKA, Naturkundemuseum Karlsruhe, 09.12.2013
16
S.C.C. Ting
AMS-02 installiert auf der ISS
Astronauten
AMS-02
Prof. W. de Boer, KIT
AVKA, Naturkundemuseum Karlsruhe, 09.12.2013
17
Alpha Magnetic Spectrometer AMS-02
MATTER
ANTIMATTER
PLANE 1NS
TRACKER
PLANE 1N
TRD
ACC
VACUUM
CASE
MAGNET
UTOF
LTOF
TRACKER
RICH
Weight 7500 kg
Volume 64 cubic meters
Power 2500 watts
Data downlink 2 Mbps (average)
Magnetic field intensity 0,125 Tesla or
1250 Gauss (4000 times stronger than the
Earth magnetic field)
Magnetic material Neodymium alloy
(Nd2Fe14B), weighting 1200 kg
Subsystems 15 among particle detectors
and supporting subsystems
Launch 16th May 2011, 08:56 am EDT
Mission duration through the lifetime of
the ISS, until 2020 or longer (it will not
return back to Earth)
Construction 1999-2010
Cost $1.5 billion (estimated)
ECAL
TRACKER
PLANE 6
Prof. W. de Boer, KIT
AVKA, Naturkundemuseum Karlsruhe, 09.12.2013
18
Alpha Magnetic Spectrometer AMS-02
Prof. W. de Boer, KIT
AVKA, Naturkundemuseum Karlsruhe, 09.12.2013
19
Teilchen in der kosmischen Strahlung
Energie [GeV]
Prof. W. de Boer, KIT
AVKA, Naturkundemuseum Karlsruhe, 09.12.2013
20
Teilchenidentifikation in AMS
Prof. W. de Boer, KIT
AVKA, Naturkundemuseum Karlsruhe, 09.12.2013
21
AMS: A TeV precision, multipurpose spectrometer
(5x4x3m, 7500 kg)
TRD
Identify e+, e- , Z
Particles and nuclei are defined by their
charge (Z) and energy (E ~ P)
1
TOF
Z, E
Magnet
±Z
Silicon Tracker
Z, P
2
5-6
7-8
Tracke
r
3-4
RICH
Z, E
ECAL
E of
e+ ,
e- ,
γ
9
Z, P are measured independently by the
Tracker, RICH, TOF and ECAL
Prof. W. de Boer, KIT
AVKA, Naturkundemuseum Karlsruhe, 09.12.2013
22
12.February 2010 - 16. Febrauary 2010:
AMS-02 Transport from CERN, Geneva to ESTEC,
Noordwijk, Netherlands
Prof. W. de Boer, KIT
AVKA, Naturkundemuseum Karlsruhe, 23
09.12.2013
23
AMS in the Maxwell EMI chamber at ESTEC
Prof. W. de Boer, KIT
AVKA, Naturkundemuseum Karlsruhe, 24
09.12.2013
24
US Air Force C-5 Galaxy
has been used for transport
from Geneva to Kennedy
Space Center (Cape
Canaveral) Sept. 2010
Prof. W. de Boer, KIT
AVKA, Naturkundemuseum Karlsruhe, 09.12.2013
25
AMS in space shuttle Endeavour
Prof. W. de Boer, KIT
AVKA, Naturkundemuseum Karlsruhe, 09.12.2013
26
KIT verantwortlich für AMS nach dem Start
Payload
Commander
Andreas
Sabellek
von KIT
vor Endeavour
nach dem
letzten Check
von AMS in
Endeavour
Prof. W. de Boer, KIT
AVKA, Naturkundemuseum Karlsruhe, 09.12.2013
27
Launch May 16, 2011, 08:56 AM
Totales Gewicht: 2008 t
AMS :
7.5 t
Prof. W. de Boer, KIT
AVKA, Naturkundemuseum Karlsruhe, 09.12.2013
28
Launch
Prof. W. de Boer, KIT
AVKA, Naturkundemuseum Karlsruhe, 09.12.2013
29
Launch, 16.5.2011 at 8:56 am (European time)
Prof. W. de Boer, KIT
AVKA, Naturkundemuseum Karlsruhe, 09.12.2013
30
Shuttle docked to ISS
Prof. W. de Boer, KIT
AVKA, Naturkundemuseum Karlsruhe, 09.12.2013
31
Endeavour docked to ISS
(photo during space walk)
Prof. W. de Boer, KIT
AVKA, Naturkundemuseum Karlsruhe, 09.12.2013
32
Endeavour docked to ISS
(photo during space walk)
Prof. W. de Boer, KIT
AVKA, Naturkundemuseum Karlsruhe, 09.12.2013
33
600 Physiker, 60 Insititute, 16 Länder
Bauzeit AMS-02: 10 Jahre
Spokesman
Sam Ting
Nobelprize 1976
started AMS
in 1994
Prof. W. de Boer, KIT
AVKA, Naturkundemuseum Karlsruhe, 09.12.2013
34
The AMS Detector November 23, 2007
KIT, Karlsruhe
Prof. W. de Boer, KIT
RWTH, Aachen
AVKA, Naturkundemuseum Karlsruhe, 09.12.2013
35
TRD Readout Computers
5,248 Channels,
112 Voltages,
24 TRD Data Reduction
4 Readout
Computers (UDR)
Computers (JINF-U)
AMSWire
AMSWire
To next level
5,248
Pulse
Heights
Busy
Busy
Trigger
Trigger
High & Low Voltage Control
• Analog to digital conversion
• Data reduction:
Pedestal subtraction
Remove empty channels
•Format, send to next level
Prof. W. de Boer, KIT
•Control High & Low Voltage
•Distribute command to UDR
•Combine Busy signals
•Distribute Trigger
AVKA, Naturkundemuseum Karlsruhe, 09.12.2013
36
TRD Elektronikexperten
Sabellek
Prof. W. de Boer, KIT
Hauler
Schmanau
AVKA, Naturkundemuseum Karlsruhe, 09.12.2013
37
AMS Messungen der Nukleonen
Entries
H
108
107
106
105
104
103
102
10
1
He
Li
Be
B C
N
O
F
Ne
Na
Mg
Al
Si
P
Prof. W. de Boer, KIT
S
Cl Ar K Ca
SSc Ti
V
AVKA, Naturkundemuseum Karlsruhe, 09.12.2013
Cr
Fe
Ni
38
Verhältnis primärer zu sekundärer Teilchen
Preliminary, S. Kunz, KIT
Prof. W. de Boer, KIT
AVKA, Naturkundemuseum Karlsruhe, 09.12.2013
39
Spallation eines Kohlenstoffatoms
Layer 1 = 6.1
TRD = 6.0
UTOF = 7.6
Inner = 4.8
R = 10 GV
LTOF = 5.2
RICH = 5.0
Prof. W. de Boer, KIT
AVKA, Naturkundemuseum Karlsruhe, 09.12.2013
40
Kontrollraum für AMS am CERN
Schichten: 365 Tage/Jahr!
24h//Tag
Prof. W. de Boer, KIT
AVKA, Naturkundemuseum Karlsruhe, 09.12.2013
41
Wichtigste Aufgaben beim Schicht
Gasdruckkontrolle: Gas des TRDs kann bei einem
Leck entweichen-> AMS tot, ISS dreht
Temperaturkontrolle, denn Änderungen durch
U l fd
Umlauf
der ISS in
i 90‘,
90‘ d.h.
d h 45‘ Tag,
T
45‘ N
Nacht
ht
Sonneneinfallswinkel (β)
ISS Höhe
Position der Solarzellen und ISS Radiatoren
>1000 Temperatursensoren und 298 Heizungen,
damit Temp. überall in vorgegeben Grenzen gehalten wird, um
irreparable Schaden zu vermeiden
Prof. W. de Boer, KIT
AVKA, Naturkundemuseum Karlsruhe, 09.12.2013
42
Relative Verschiebung TRD-Tracker [cm]
Misalignment durch Temperatureffekte
Prof. W. de Boer, KIT
M. Heil, Dr. Arbeit, KIT, 2013
AVKA, Naturkundemuseum Karlsruhe, 09.12.2013
43
Was kann alles passieren?
ISS dreht um 180 Grad, damit
Astronaut ein schönes Bild
machen kann:
p
„feathered“ um Platz zu
„
Solarpanele
machen für Anflug/Abflug:
AMS muss mit weniger elektrische
Leistung auskommen (Heizungen
abschalten)
Soyuz
Endeavour
AMS muss Ersatzkühlung zusätzlich
einschalten
ATV
Progress
AMS Laptop auf ISS streikt:
Astronauten anrufen
Prof. W. de Boer, KIT
AVKA, Naturkundemuseum Karlsruhe, 09.12.2013
44
Cady Coleman startet AMS Laptop auf der ISS
Prof. W. de Boer, KIT
AVKA, Naturkundemuseum Karlsruhe, 09.12.2013
45
Endeavour Day 6: Message from Vatican
Endeavour Day 6
Prof. W. de Boer, KIT
AVKA, Naturkundemuseum Karlsruhe, 09.12.2013
46
Endeavour Day 6: ISS tour
Prof. W. de Boer, KIT
AVKA, Naturkundemuseum Karlsruhe, 09.12.2013
47
Erste Daten von AMS-02
Nach 18 Monaten Datennahme im Weltraum hat AMS
>30 109 Ereignisse aufgezeichnet.
(>7 Millionen sind Elektronen oder Positronen)
Dies sind 10% der zu erwartenden Datenmenge
(Datenname bis 2029?)
Prof. W. de Boer, KIT
AVKA, Naturkundemuseum Karlsruhe, 09.12.2013
48
Erste Resultate veröffentlicht am 03.04.2013
“First Result from the AMS
on the ISS: Precision
Measurement of the Positron
Fraction in Primary Cosmic
Rays of 0.5-350 GeV”
Phys. Rev. Lett. 110, 141102
(2013) [10 pages]
Selected
S
l t d ffor a
Viewpoint in Physics and
an Editors’ Suggestion
Seit Publikation vor 3
Monaten: 46 x zitiert
Prof. W. de Boer, KIT
AVKA, Naturkundemuseum Karlsruhe, 09.12.2013
49
Positronverhältnis: e+/(e+ + e-)
M. Heil. Doktorarbeit, 05.07.2013
Prof. W. de Boer, KIT
AVKA, Naturkundemuseum Karlsruhe, 09.12.2013
50
Vergleich mit anderen Experimenten
Prof. W. de Boer, KIT
AVKA, Naturkundemuseum Karlsruhe, 09.12.2013
51
ARD Tagesthemen am 03.04.2013
http://www.tagesschau.de/ausland/dunklematerie100.htm
Forscher finden Hinweise auf Dunkle Materie
„Ein Wissenschaftlerteam am Forschungszentrum CERN in Genf hat
erstmals Hinweise auf die Existenz der Dunklen Materie gefunden“
Leider g
gibt es auch andere Erklärungen,
g , z.B. benachbarte
astrophysikalische Quellen, wie Pulsare. (Überschuss an
Positronen ist eigentlich zu groß für DM Signal)
Wir brauchen mehr Daten um Abfall des Signals bei hohen
Energien untersuchen zu können.
Prof. W. de Boer, KIT
AVKA, Naturkundemuseum Karlsruhe, 09.12.2013
52
Wie kann man Pulsare von DM unterscheiden?
Pulsare keine Antiprotonen,
Gammas Punktquelle
DM Antiprotonen, Gammas diffus und zeigen
zurück zur Quelle, d.h. Signalüberschuss in Gammas
folgt DM Profil
Brauche Kombination aller Daten:
Positronen, Antiprotonen, Gammas
(und Kerne um Propagationsmodelle zu testen)
Erwartete Spektren aller Teilchen bekannt
(aus Beschleunigerexp. )
Prof. W. de Boer, KIT
AVKA, Naturkundemuseum Karlsruhe, 09.12.2013
53
AMS Himmelskarte der Gammastrahlung oberhalb 2 GeV
Geminga
Vela
Prof. W. de Boer, KIT
AVKA, Naturkundemuseum Karlsruhe, 09.12.2013
54
Zusammenfassung
Natur der dunklen Materie unbekannt
AMS sieht zu viele Positronen, aber die neue
Quelle könnte auch von Pulsaren stammen
B
Brauche
h mehr
h Daten
D t um Abfall zu sehen und
Vergleich mit Antiprotonen und Gamma Spektren
Hoffnung:
Am LHC werden WIMPS entdeckt und AMS bestätigt,
dass diese neue Teilchen die WIMPs sind.
Prof. W. de Boer, KIT
AVKA, Naturkundemuseum Karlsruhe, 09.12.2013
55