KIT – University of the State of Baden-Wuerttemberg and

National Research Center of the Helmholtz Association

Institut für Experimentelle Kernphysik

www.kit.edu

Erste AMS-02 Resultate Karen Andeen, Wim de Boer, Iris Gebauer, Melanie Heil, Simon Kunz, Nikolay Nikonov,

Matthias Weinreuter, Valerio Vagelli, Markus Weber, Stefan Zeissler.

Ehemalige Doktoranden: Florian Hauler, Andreas Sabellek, Mike Schmanau

+ Diplomanden, Master, Bachelor

2 08.07.2013 Wim de Boer

Woraus besteht das Universum?

26% dunkle Materie

(=83% der gesamten

Materie)

5% bekannte Materie

aus dem Standard

Modell der Teilchen-

Physik)

69% dunkle Energie

Planck Satellite: http://arxiv.org/pdf/1303.5076v1.pdf

3 08.07.2013 Wim de Boer

Entdeckung der dunklen Energie (DE) (= Energieform mit abstoßender Gravitation)

Perlmutter, Schmidt, Riess, Nobelpreis 2011

Entdeckung der dunklen Materie (DM) (Zwicky, F. (1933-1937))

Suche nach DM (KIT):

Produktion im Labor (CMS Exp. am LHC )

Direkter Nachweis der DM (Edelweiss)

Indirekter Nachweis der DM (AMS Experiment

auf der Internationalen Raumstation ISS)

Übersicht

4 08.07.2013 Wim de Boer

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

5 08.07.2013 Wim de Boer

Hubble Bild der Supernova 1987A Explosion

aufgenommen am 6. Februar, 1998

Durch die Schockwelle

werden geladene Teilchen

enorm beschleunigt.

Diese hochenergetische

kosmische Strahlung 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

nachweisen.

SN Ia sind Standardkerzen, d.h. bekannte Leuchtkraft.

Aus gemessener Helligkeit kann man den Abstand bestimmen.

6 08.07.2013 Wim de Boer

Warum Vakuumenergie nach langer Zeit dominiert

Vakuumenergiedichte praktisch konstant. Materie- und Strahlungsdichte nehmen ab mit der Zeit.

7 08.07.2013 Wim de Boer

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.

Lösung: es muss zusätzliche „dunkle“ Materie geben

8 08.07.2013 Wim de Boer

Unsere Galaxie: die Milchstraße

9 08.07.2013 Wim de Boer

Rotationskurve der Planeten der Sonne

Abstand zur Sonne R [AU]

Ge

sc

hw

ind

igk

eit

de

r P

lan

ete

n [k

m/s

]

Theorie

v MSonne/R

10 08.07.2013 Wim de Boer

Rotationskurve einer Galaxie

Aus der Umlaufgeschwindigkeit der Sonne berechnet man:

10x mehr Dunkle Materie als sichtbare Materie und großräumiger

verteilt . Dichte der dunkle Materie Teilchen bei der Erde ca.

1 WIMP/Kaffeetasse (WIMP = Weakly Interacting Massive Particle)

v2 MSonne/R R2 oder

DM 1/R2

11 08.07.2013 Wim de Boer

Colliding Clusters zeigen zwei Komponenten der Materie:

sichtbare und dunkle Materie mit nur schwacher Wechselw.

Rot:

sichtbares

Gas

Blau: dunkle Materie

aus Gravitations-

potential (gemessen durch

Gravitationslenseneffekt)

Aus Geschwindigkeiten kann man schließen, dass

„Bullet Cluster“ vorher mit einem anderen Cluster zusammen

gestoßen ist

Rot:

sichtbares

Gas

Blau:

dunkle Materie

aus Gravitations-

potential

12 08.07.2013 Wim de Boer

Simulation der “Colliding Clusters”

http://www.sciam.com/

August 22, 2006

13 08.07.2013 Wim de Boer

THERMAL HISTORY OF WIMPS

Thermal equilibrium abundance

Actual abundance

T=M/22 Com

ovin

g n

um

ber

density

x=m/T

Ju

ng

ma

nn

,Ka

mio

nko

wski, G

rie

st,

PR

19

95

WMAP -> h2=0.1130.009 ->

<v>=2.10-26 cm3/s

DM increases in Galaxies:

1 WIMP/coffee cup 105 <ρ>.

DMA (ρ2) restarts.

T>>M: f+f->M+M; M+M->f+f

T<M: M+M->f+f

T=M/22: M decoupled, stable density

(when annihilation rate expansion rate,

i.e. =<v>n(xfr) H(xfr) !)

Only assumption: WIMP = thermal

relict, d.h. produced in hot early

universe

14 08.07.2013 Wim de Boer

Indirekte Suche nach DM im Weltall

@http://theastronomist.fieldofscience.com/2010/05/dark-matter-confronts-observations.html

DM Teilchen sind elektrisch

ungeladen und können daher

eigene Antiteilchen sein.

Dies erlaubt Annihilation bei

Zusammenstoß. d.h. die DM

Teilchen werden vernichtet

und die Energie umgewandelt in

Materie und Antimaterie.

DM Vernichtung könnte starke

Quelle für Antimaterie sein!

Alle Details bekannt von Elektron-

Positron Vernichtung

(am LEP Beschleuniger studiert)

15 08.07.2013 Wim de Boer

DM > 80% der Materie, bestimmt also Schwerkraft. Sichtbare Materie (Gas) folgt.

Steinmetz, Potsdam

Bildung der Galaxien aus Dichteschwankungen

unter Einfluss der Schwerkraft

16 08.07.2013 Wim de Boer

DM Massenspektrum der Klumpen: 1/M2

Brauche geklumpte DM Halo, ansonsten Signal zu klein

Vorhersage für „Boostfactor“: 10-1000 (zu geringe Auflösung der

N-body Galaxiensimulationen

17 08.07.2013 Wim de Boer

18 08.07.2013 Wim de Boer

Canis Major Dwarf orbits from N-body simulations

to fit Monocerus Ring of Stars

Unsere Galaxie

kannabalisiert immer

noch Zwerggalaxien:

Gezeitenkräfte

auf der Innenseite

größer als Außenseite:

Zwerggalaxie wird

zerrüpft

Movie from Nicolas Martin, Rodrigo Ibata

http://astro.u-strasbg.fr/images_ri/canm-e.html

19 08.07.2013 Wim de Boer

Zusammenfassung bisher

Wie macht sich dunkle Energie bemerkbar?

beschleunigte Expansion des Universums (aus SN Ia)

Bestätigt durch Galaxienstruktur, Baryonische Akustische Oszillationen

Was macht sich dunkle Materie bemerkbar?

Galaxienbewegungen, Rotationskurven, Gravitationslinsen,..

Dies zeigt: DM Teilchen schwach wechselwirkend.

Daher WIMP genannt: Weakly Interacting Massive Particle

Indirekte Suche nach DM:

AMS Exp. (auf der ISS)

20 08.07.2013 Wim de Boer

Galaxie hat 3 Komponenten kosm. Strahlung (CR), Gas, WIMPS ()

Alle Streuprozesse aus Beschleunigerexp. bekannt:

I) CR + CR -> zu geringe Dichte

II) CR+Gas bekannt aus p+H2-> Antimaterie +X (Untergrund)

III) Antimaterie +X aus e+e- Antimaterie +X (Signal)

Energiespektren für Untergrund und Signal sehr unterschiedlich

Physikprogramm von AMS : Suche nach Antimaterie

Suche nach DM

Suche nach exotischen Formen der Materie

(z.B. Strangelets)

21 08.07.2013 Wim de Boer

Erwartungen für Kollisionen von WIMPS

m=800 GeV

Dunkle Materie Model von I. Cholis et al., arXiv:0810.5344

m=400 GeV

e± energy [GeV]

Po

sitr

on

An

teil

e+ /(e

+ +

e- )

0.1

10 102

maximale

Energie

gegeben durch

WIMP Masse

22 08.07.2013 Wim de Boer

WIMP WUNDER

Annihilationswirkungsquerschnitt aus der

Kosmologie: Größenordnung: 10-33 cm2

Streuwirkungsquerschnitt WIMP-Nukleon:

experimentelle Obergrenze: 10-44 cm2

Das leichteste Teilchen der Supersymmetrie

besitzt genau alle Eigenschaften eines WIMPS.

inklusive den vorhergesagten Größenordnung

des Annihilationswirkungsquerschnitts und einen

mehr als 10 Größenordnungen kleineren

Streuwirkungsquerschnitt

23 08.07.2013 Wim de Boer

Das Physikprogramm von AMS

Discoveries:

(1) Pulsar,

(2) Microwave,

(3) Binary Pulsars,

(4) X Ray sources,

solar neutrinos

(5) Dark Matter,

Dark Energy

… …

Hubble, Chandra, Fermi

WHIPPLE,

HESS,

VERITAS,

…

AUGER

SUPER K HiRes

g ,n

2. Charged components

gamma rays: AMS

24 08.07.2013 Wim de Boer

S.C.C. Ting January 5, 2007

Science on the ISS

AMS

DAS ALPHA-MAGNET-SPECTROMETER AUF DER

INTERNATIONALEN RAUMSTATION ISS SEIT MAI, 2011

SICHTBAR MIT BLOßEM AUGE IN KA AM 07.07.2013 UM 7:10:36

FÜR 6 MINUTEN UND 20 SEK.

(ISS APP ODER HTTP://ISS.DE.ASTROVIEWER.NET/BEOBACHTUNG.PHP)

24

ISS: 109 m x 80 m

Cost: $ 100 billion

Life time 20 years

25 08.07.2013 Wim de Boer

Totales Gewicht: 2008 t AMS : 7.5 t

Launch May 16, 2011, 08:56 AM

26 08.07.2013 Wim de Boer

Launch, 16.5.2011 at 8:56 am (European time)

27 08.07.2013 Wim de Boer

Launch

28 08.07.2013 Wim de Boer

Shuttle docked to ISS

29 08.07.2013 Wim de Boer

Endeavour docked to ISS

(photo during space walk)

30 08.07.2013 Wim de Boer

Endeavour docked to ISS

(photo during space walk)

31 08.07.2013 Wim de Boer

AMS-02 installiert auf der ISS

AMS-02

Astro- nauten

32 08.07.2013 Wim de Boer

600 Physiker, 60 Insititute, 16 Länder Bauzeit AMS-02: 10 Jahre

Spokesman Sam Ting Nobelprize 1976

started AMS

in 1994

33 08.07.2013 Wim de Boer

12.FEBRUARY 2010 - 16. FEBRAUARY 2010:

AMS-02 TRANSPORT FROM CERN, GENEVA TO ESTEC,

NOORDWIJK, NETHERLANDS

33

34 08.07.2013 Wim de Boer

AMS in the Maxwell EMI chamber at ESTEC

34

35 08.07.2013 Wim de Boer

NASA Shuttle Landing Facility

IATA: TTS – ICAO: KTTS – FAA: TTS

Summary

Elevation AMSL 10 ft / 3 m

Coordinates 28°36′54″N 80°41′40.2″W

Runways

Direction

Length Surface

ft m

15/33 15,000 4,572 Concrete

A US Air Force C-5 Galaxy

has been used for transport

from Geneva to KSC

September 2010

Prof. Wim de Boer – KIT Astronaut Day

36 08.07.2013 Wim de Boer

Payload Commander Andreas Sabellek von KIT vor Endeavour nach dem letzten Check von AMS in Endeavour

KIT verantwortlich für AMS nach dem Start

37 08.07.2013 Wim de Boer

Alpha Magnetic Spectrometer AMS-02

38 08.07.2013 Wim de Boer

AMS: A TeV precision, multipurpose spectrometer

Tra

cke

r

1

2

7-8

3-4

9

5-6

TRD Identify e+, e- , Z

Silicon Tracker Z, P

ECAL E of e+, e-, γ

RICH Z, E

TOF Z, E

Particles and nuclei are defined by their

charge (Z) and energy (E ~ P)

Z, P are measured independently by the

Tracker, RICH, TOF and ECAL

Magnet ±Z

(5x4x3m, 7500 kg)

39 08.07.2013 Wim de Boer

Teilchenidentifikation in AMS

40 08.07.2013 Wim de Boer

AMS Messungen der Nukleonen

Entries

H He

Li Be

B C

N O

F Ne

Na Mg

Al Si

Cl Ar K Ca Sc Ti V Cr P

S Fe

Ni

108

107

106

105

104

103

102

10

1

41 08.07.2013 Wim de Boer

Entstehung schwerer Kerne durch Fusion in Sternen

42 08.07.2013 Wim de Boer

Spallation eines Kohlenstoffatoms

Layer 1 = 6.1

TRD = 6.0

UTOF = 7.6

Inner = 4.8

LTOF = 5.2

RICH = 5.0

R = 10 GV

43 08.07.2013 Wim de Boer

Kosmische Strahlung in der Milchstraße

100 x 103 ly

40

x 1

03 l

y

1 x

10

3 l

y

27 x 103 ly

AMS

( B )

HALO

DISK

Kosmische Strahlung bildet Plasma geladener Teilchen, die sich so

bewegen, dass elektrische Feld null wird -> Art Brownsche Bewegung

Diffusion und Konvektion.

Spallation bei Durchgang durch die Scheibe -> B/C bestimmt wie lange CR

sich im Halo aufhalten und wie oft sie durch die Scheibe

44 08.07.2013 Wim de Boer

The AMS Detector November 23, 2007

RWTH, Aachen KIT, Karlsruhe

45 08.07.2013 Wim de Boer

TRD READOUT COMPUTERS

• Analog to digital conversion

• Data reduction:

Pedestal subtraction

Remove empty channels

•Format, send to next level

•Control High & Low Voltage

•Distribute command to UDR

•Combine Busy signals

•Distribute Trigger

5,248

Pulse

Heights

AMSWire

Busy

Trigger

Busy

Trigger

AMSWire

To next level

High & Low Voltage Control

5,248 Channels,

112 Voltages, 24 TRD Data Reduction

Computers (UDR)

4 Readout

Computers (JINF-U)

46 08.07.2013 Wim de Boer

TRD Elektronikexperten

Sabellek Hauler

Schmanau

47 08.07.2013 Wim de Boer

Kontrollraum für AMS am CERN

Schichten: 365 Tage/Jahr!

24h//Tag

48 08.07.2013 Wim de Boer

Wichtigste Aufgaben beim Schicht

Gasdruckkontrolle: Gas des TRDs kann bei

einem Leck entweichen-> AMS tot, ISS dreht

Temperaturkontrolle, denn Änderungen durch

Umlauf der ISS in 90‘, d.h. 45‘ Tag, 45‘ Nacht

Sonneneinfallswinkel ()

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

49 08.07.2013 Wim de Boer

Misalignment durch Temperatureffekte R

ela

tive V

ers

ch

ieb

un

g T

RD

-Tra

cker

[cm

]

M. Heil, Dr. Arbeit, KIT, 2013

Temperaturkontrolle, denn Änderungen

durch

50 08.07.2013 Wim de Boer

Was kann alles passieren?

ISS dreht um 180 Grad, damit

Astronaut ein schönes Bild

machen kann:

AMS muss Ersatzkühlung

zusätzlich einschalten

Solarpanele „feathered“ um Platz

zu machen für Anflug/Abflug:

AMS muss mit weniger

elektrische Leistung auskommen

(Heizungen abschalten)

AMS Laptop auf ISS streikt:

Astronauten anrufen

ATV

Soyuz

Progress En

deavo

ur

51 08.07.2013 Wim de Boer

Cady Coleman startet AMS Laptop auf der ISS

52 08.07.2013 Wim de Boer

Endeavour Day 6: ISS tour

53 08.07.2013 Wim de Boer

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?)

54 08.07.2013 Wim de Boer

Selected for a

Viewpoint in Physics and

an Editors’ Suggestion

“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]

Erste Resultate veröffentlicht am 03.04.2013

Seit Publikation vor 3

Monaten: 46 x zitiert

55 08.07.2013 Wim de Boer

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 gibt es auch andere Erklärungen, z.B. benachbarte

astrophysikalische Quellen, wie Pulsare. (Überschuss an

Positronen ist eigentlich zu groß für DM Signal)

ARD Tagesthemen am 03.04.2013

Wir brauchen mehr Daten um Abfall des Signals bei hohen

Energien untersuchen zu können.

56 08.07.2013 Wim de Boer

Positronverhältnis: e+/(e+ + e-)

M. Heil. Dr. Arbeit, 05.07.2013

57 08.07.2013 Wim de Boer

Einzelne Beiträge zum Positronverhältnis

Positron Fluss:

nimmt sehr stark ab

bei zunehmender

Energie.

Im Energieintervall

260-350 GeV nur

1 Positron / Woche

Fitte 3 powerlaws

58 08.07.2013 Wim de Boer

Untergrundreduzierung

M. Heil. Dr. Arbeit, 05.07.2013

59 08.07.2013 Wim de Boer

Vergleich mit anderen Experimenten

60 08.07.2013 Wim de Boer

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. )

61 08.07.2013 Wim de Boer

AMS Himmelskarte der Gammastrahlung oberhalb 2 GeV

Geminga

Vela

62 08.07.2013 Wim de Boer

Zusammenfassung

Natur der dunklen Materie unbekannt

AMS sieht zu viele Positronen, aber die neue

Quelle könnte auch von Pulsaren stammen

Brauche mehr Daten 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.