Das AMS-Experiment Seminar zur Astro-, Kern- und Teilchenphysik 2002 Das AMS-Experiment (Alpha Magnetic Spectrometer) Auf der Suche nach kosmischer Antimaterie

Das AMS-Experiment Seminar zur Astro-, Kern- und Teilchenphysik 2002

Das AMS-Experiment(Alpha Magnetic Spectrometer)

Auf der Suche nach kosmischer Antimaterie und dunkler Materie

Alexander Ströer


Das AMS-Experiment

*


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


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)


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



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 ...)



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

*


Grundlagen: Antimaterie

Dirac

• E=± mc2

(Sonderfall p=0, E2=m2c4+p2c2 SRT)

• Positron postuliert

*


Grundlagen: AntimaterieAntimaterie „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


Grundlagen: Antimaterie

*


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



• 1995: Low Energy Antiproton Ring (LEAR) CERN: 9 Antiatome erzeugt

• 1997: Fermilab: Erzeugung von Antiwasserstoff (im relativistischen Zustand)



• Heute: Antiproton Decelerator CERN mit 3 Experimenten: ASACUSA, ATHENA, ATRAP

• 16 Sept 2002: ATHENA produziert Tausende von Antiatomen


Die Suche nach Antimaterie: Experimente - kosmische StrahlungIndirekt: 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)


Die Suche nach Antimaterie: Experimente - kosmische StrahlungDirekt: 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


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


Die Suche nach Antimaterie: Experimente - kosmische Strahlung


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

*


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



• Verhältniss: Überschuss Materie Antimaterie

β= (NB-NAB)/Nγ ≈ 6x10-10

Nγ=412/cm3, NB»NAB



Modelle Baryogenese• „Heavy particle decay“ in GUT mit XBosonzerfall

in Quark/Antiquark/Leptoquark• „Electroweak“ – Phasenübergang

EW-broken/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“



Modelle Antibaryogenese

• Primordial black holes


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)

*



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



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


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)

+


AMS-01

Hauptziel:

• Verifizierung der vollen Detektor-performance

• Hintergrundstudien (gegenläufige, fehlidentifizierte Nuklei und durch Albedos)


AMS-01: Permanentmagnet

• Nd-Fe-B Permanentmagnet:

• 2,5 Tonnen • Bmax = 0,14 T• Dipolares Feld


AMS-01/02: Silicon Tracker• 6 (8) horizontale

Lagen von doppel- seitigen Silikon-Mikrostreifen-Detektoren

• 4 im inneren des Magnethohlraumes, 2 darüber / darunter


AMS-01/02: Silicon Tracker


AMS-01/02: Silicon Tracker• Jeder Strip wird alle 100 (200) µm in x-

Richtung abgelesenAuflösung: ~10µm in Ablenkrichtung

~30µm orthogonal Aufgaben:• Ladungsvorzeichen• Energieverlust (dE/dx)• Steifigkeit (p/Z) (rigidity)


AMS-01/02: SzintillatorsystemTime 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


AMS-01/02: Szintillatorsystem Antikoinzidenz Szintillatoren (ACC)

• Paddle: 800 mm lang, 8 mm dick.• Ausgelesen von jeweils einer

Photomultiplierröhre

• Ziel: Elimination seitlich eindringender Teilchen


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


AMS-01: Aerogel Treshold Cerenkov Counter (ATC)


AMS-01/02 Low Energie Particle Shield

10 mm Kohlenstoffverbundmaterial

Ziel:

Unterdrückung des Untergrunds bis E=5MeV


AMS-01


AMS-01

Das AMS-Experiment bei letzten Vorbereitungen am Kennedy Space Center (KSC), danach erfolgt der Einbau in die Ladebucht des Space Shuttles.



AMS-01


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


AMS-01


Ergebnisse: AMS-01Suche nach Antihelium


Ergebnisse: AMS-01Suche 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


Ergebnisse AMS-01

Teilchengürtel im Erdmagnet-feld entdeckt


Ergebnisse AMS-01


AMS-01 Ergebnisse

• Zuviele Positronen

• Zuviel 3He

+


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


AMS-02: RICH

Ring imaging Cherenkov detector

Ziel:

• Ladungsbestimmung bis Z=25

• Geschwindigkeitsbestimmung


AMS-02: RICH@COMPASS


AMS-02: SRD

Synchrotron radiation detector

• Größe: 2 mal 3 Meter

Ziel:

• Nachweis von TeV Elektronen und PeV Protonen aufgrund ihrer Synchrotron-strahlung im Erd-Magnetfeld


AMS-02: TRD

• Transition radiation detector

• Messbereich bis 300 GeV (für Protonen)

Ziel:

• Elektron/Hadron Trennung (besser 10-3)


AMS-02: Ecal 3D Kalorimeter

EM-calorimeter

Ziel:

• Ausweitung der Elektron/Hadron Trennung bis ca. 1 TeV


Erwartungen AMS-02


Erwartungen AMS-02


Erwartungen AMS-02


PAMELA


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.rwth-aachen.de/~ams/news/SpaceDay20010921/ ams_faltblatt_2001_09_21.pdf

• Jay Orear. Physik. München 1982• Gerthsen. Physik. Freising 1995

Documents

Das AMS-Experiment Seminar zur Astro-, Kern- und Teilchenphysik 2002 Das AMS-Experiment (Alpha Magnetic Spectrometer) Auf der Suche nach kosmischer Antimaterie