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Das Alpha Magnet Spektrometer
auf der Suche nach Antikohlenstoff
Joachim Stroth
Die Entdeckung der AntimaterieDie Entdeckung der Antimaterie
1930 Paul Dirac: Paarweises Auftreten von Elementarteilchen als Konsequenz einer relativistischen Quantentheorie.
1933 Carl Anderson: Entdeckung des Positrons bei Reaktionen von kosmischen Teilchen in einer Nebelkammer.
1955 Bevatron/LBL: Nachweis von Antiprotonen in p-p Kollisionen.
1965 PS/CERN: Nachweis des Anti-Deuteron in p-Be Kollisionen.
1995 LEAR/CERN: Synthese von Antiatomen (Wasserstoff) durch Positroneneinfang am Antiproton.
Das Antimaterie-RätselDas Antimaterie-Rätsel
Nach gegenwärtigem Verständnis entstand Materie aus dem Vakuum während der
Frühphase des Urknalls
Wenn Materie aber nur paarweise erzeugt werden kann, warum Wenn Materie aber nur paarweise erzeugt werden kann, warum leben wir dann in einer Welt ohne Antimaterie?leben wir dann in einer Welt ohne Antimaterie?
Evidenz für fehlende Antimaterie: Keine entsprechende Vernichtungsstrahlung gefunden. Zu wenig Antiprotonen in der kosmischen Teilchenstrahlung.
10-43s
10-10s
10-34s
GUT
QGP
Hadronisierung
t
x
Kriterien von Sacharov (1967) Kriterien von Sacharov (1967)
Drei Voraussetzungen für die Entstehung einer Baryonenasymmetrie im Urknall
Verletzung der BaryonenzahlerhaltungLeptonen zerfallen in Quarks und umgekehrt
C und CP VerletzungDie Zerfallsraten sind für Quarks und Antiquarks unterschiedlich
Kein thermisches GleichgewichtB=0 wenn Baryonenzahl nicht erhalten ist
Antimaterie SzenarienAntimaterie Szenarien
Asymmetrisches Universum (B 0)
Bisher wurden keine astronomischen Objekte aus Antimaterie entdeckt
Verletzung der Baryonenzahl-erhaltung während der Baryogenese
GUT: neue starke CP Verletzung magnetische Monopole Protonenzerfall
Elektroschwach: Leichtes Higgs mit M 35-45 GeV
aber MH > 82.2 GeV (LEP)
Symmetrisches Universum (B=0)
Fluktuationen im Urknall (Blasenbildung), separierte Anti-Galaxienhaufen
Zusätzliche schwach- wechselwirkende Baryonen
COBE, Hintergrundstrahlung
Nachweis von kosmischer Antimaterie Nachweis von kosmischer Antimaterie Bisherige ExperimenteBisherige Experimente
Ballon-Experimente (Supraleitende Magneten, Kalorimeter)effektive Targetdicke 5 g/cm2
Satelliten-Experiment (Erdmagnetfeld)
Bisher keine Antikerne mit Z 2 nachgewiesen
0,1 1 10 1001E-10
1E-9
1E-8
1E-7
1E-6
1E-5
1E-4
1E-3
Z > 2
Z > 2
Z > 2Z > 9
AMS
current limit
An
tin
ucl
eus/
Nu
cleu
s
Kinetic Energy (GeV/u)
0,1 1 10 1001E-10
1E-9
1E-8
1E-7
1E-6
1E-5
1E-4
Symmetric Universe
AMS
current limit
An
tih
eliu
m/H
eliu
m
Kinetic Energy [GeV/u]
Ein einzelner Anti-Kohlenstoffkern genügtEin einzelner Anti-Kohlenstoffkern genügt
Kosmische Anti-Kohlenstoffkerne können nicht vom Urknall stammen oder in sekundären Reaktionen entstehen
Als Quelle eines Anti-Kohlenstoff kommen nur stellare Objekte aus Antimaterie in Frage
Sensitivität von AMS ermöglicht den Nachweis extragalaktischer Antimaterie(Antigalaxien etc.)
1 10
1E-90
1E-80
1E-70
1E-60
1E-50
1E-40
1E-30
1E-20
1E-10
1
HAGEDORN
Produktion in Sekundärreaktionen
Rel
ativ
e A
usb
eute
Massenzahl des Antikerns
Alpha Magnetic SpectrometerAlpha Magnetic Spectrometer
Raumwinkel: 0.6 m2 sr
Messgrößen: |Z|, sign(Z), M, v
AMS, installiert auf Discovery für Mission STS-91 (MIR Ankopplung)
Gesamtflugdauer: 9 TageFlughöhe 300 km
Messdauer in richtiger Position (AMS zeigt in Richtung All): 108 h
AMS: Erstes Magnetspektrometer im Raum (400 km ü.NN)
6/1998: Shuttle (Flug STS-91) 2001-2003: Internationale Raumstation
Aufbau des SpektrometersAufbau des Spektrometers
Permanentmagnet:
Nd2Fe14B (Vakuumschmelze Hanau)
Gewicht: 1900 kg
Dipolfeld: Bmax 0.15 T
Detektorsysteme: Spurverfolgung und
Ladungsmessung Silizium-Mikrostreifen
6 Lagen (T1-T6) 6 m2
x = 8 m, y = 25 m
Flugzeit (t = 115 ps) Szintillator-Streifen (S1-S4)
Untergrund, Redundanz
Cherenkov-Zähler (psp = 3.5 GeV)
Antikoinzidenz-Zähler (ACC)
Identifikation von AntimaterieIdentifikation von Antimaterie
Signatur: Teilchenspur mit „negativer“ Krümmung
Methode Ablenkung im Magnetfeld
Mehrfachmessung der Trajektorie
Untergrund durch: Streuung im Detektormaterial Falschinterpretation der Flugrichtung Zufällige Koinzidenzen
M
dd
px
EZ
Z
pB
Nachweis der SensitivitätNachweis der Sensitivität
Anhand vollständiger Simulation mit GEANT
Teilchen/Element
Ausbeute/Sensitivität
Bisher Akzeptanz[GeV]
~ 1 - 300
e+ ~ 108 ~ 1.5 103 0.5 - 100
p 5 105 ~ 75 0.5 - 100
He/He 10-9 ~ 10-5 0.5 - 20
C/C 10-8 ~ 10-4 0.5 - 20
RohdatenRohdaten
Shuttle-Orientierung in angekoppelter Position (MIR)
AMS E
rde
2
1
2
1
Rohspektren für Masse und ImpulsRohspektren für Masse und Impuls
Das Experimetierprogramm von AMSDas Experimetierprogramm von AMS
Suche nach Antimaterie (He, C)
Suche nach Signalen von dunkler Materie durch Spektroskopie der kosmischen Antiprotonen, Positronen und hochenergetischen Photonen
Systematische Messungen zur Isotopenhäufigkeit leichter Kerne
AMS auf der Internationalen RaumstationAMS auf der Internationalen Raumstation
2002-2004: 1010 Untergrund-Teilchen (e,p,p,He,C,..)
ZusammenfassungZusammenfassung
AMS: erstes raumgestütztes Magnetspektrometer
Es ermöglicht die Suche nach kosmischer Antimaterie außerhalb unserer Galaxie (> 10 Mpc)
Experimentelles Potential Teilchenphysik jenseits des Standardmodells (CP- und Baryonenzahl-
Verletzung) Kosmologie (Inflation, Domänengrenzen, Dunkle Materie)
Ergebnisse des ersten Flugs bereits im Widerspruch zu Erwartungen Zweiter zusätzlicher Flug geplant
Ergänzung des Spektrometers vor Installation auf Internationalen Raumstation
Baryogenese in der Großen Vereinheitlichten TheorieBaryogenese in der Großen Vereinheitlichten Theorie
Vereinigung von Starker und Elektroschwacher Kraft Superschwere Eichbosonen (X) mit Masse M und Boson-Fermion-Kopplung g
(Massenskala wird durch die Protonenlebensdauer festgelegt
Erzeugung der Asymmetrie:
T>M: Thermisch equilibriertes System nx n X kann nicht nachgebildet werden. Zerfall langsamer als Expansion CP-Verletzung im X-Zerfall führt zu Baryonenüberschuß
4
1-1530
5
GeV10a10
g
M
M
g
m
M
pp
BaryonenzahlBaryonenzahl
Massenhäufigkeit im Universum werden relativ zur Grenzdichte angegeben(mit H = Hubble Konstante, G = Gravitationskonstante):
Sichtbare Materie (Baryonen in Sternen):
Dunkle Materie:
Aufteilung sichtbarer Materie in Isotope:
3292
cm
g1018
3 GH
c
005.0c
l
l
3.0tot
-1074 100.081 LiHeH
Baryonen-AsymmetrieBaryonen-Asymmetrie
Heute (T = 3K)
1 s nach dem Knall (T 1 GeV)
Heutiger Überschuß resultiert aus einer geringen Asymmetrie bei insgesamt hoher Nukleonenanzahl
33)K7.2/(400 cmTn1110)116(
s
nB B
nnn NN )10(O10)( 82
s
n
n
nn B
N
NN
Proton-Antiproton VernichtungProton-Antiproton Vernichtung
Bei Vernichtung in Ruhe:
Zerfall in 5-6 Pionen
)()(
)(
0
eee
NN
Signal von rotverschobenen Photonen aus dem Pionenzerfall nach
Paarvernichtung im Urknall
Lebensdauer des ProtonsLebensdauer des Protons
Grand Unified Theoriessehr schweres Boson (X) als Vermittler der Wechselwirkung in der vereinheitlichten Eichgruppe aus Quarks und Leptonen
X: Higgs-Boson M > 1010 GeV
X: Eichboson M > 1014 GeV
4
1-152954
4
GeV10a10
g
M
mg
M
pp
CP Verletzung im KaonensystemCP Verletzung im Kaonensystem
Das neutrale Kaonensystem besitzt zwei Eigenzustände bei Ankopplung der Schwachen Wechselwirkung mit: CP(KS)=+1, CP(KL)=-1
00333.01
,
00
000
ee KK
K
LL
L