KIT – Universität des Landes Baden-Württemberg undnationales Forschungszentrum in der Helmholtz-Gemeinschaft

Methoden der experimentellen Teilchenphysik

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Teilchenidentifizierungsmethodenanhand des AMS-Detektors

2/27 Vortag im Hauptseminar:Teilchenidentifizierungsmethoden anhand des AMS-DetektorsPatrik Schönfeldt

Hauptseminar – Methoden der experimentellen Teilchenphysik

Teilchenidentifizierungsmethoden

anhand des AMS-Detektors

Patrik Schönfeldt

3/27 Vortag im Hauptseminar:Teilchenidentifizierungsmethoden anhand des AMS-DetektorsPatrik Schönfeldt

Gliederung

Motivation und ÜberblickZiele der Mission

Der AMS-Detektor

Zugrunde liegende PhysikTeilchengeschwindigkeit

Cherenkovstrahlung

Übergangsstrahlung

Kinetische Energie

Lorentzkraft

Konkrete Anwendung im DetektorSubdetektoren

Identifikation der Teilchen

4/27 Vortag im Hauptseminar:Teilchenidentifizierungsmethoden anhand des AMS-DetektorsPatrik Schönfeldt

5/27 Vortag im Hauptseminar:Teilchenidentifizierungsmethoden anhand des AMS-DetektorsPatrik Schönfeldt

Ziele der Mission

Identifikation dunkler MaterieBisher unbeobachtet

Aber postuliert und nötig

Kein Nachweis, was DM sein könnte

Altersbestimmung der kosmischen StrahlungWie alt ist das Universum?

Wie alt wird es (noch)?

Antimaterie aus dem UrknallTheoretisch gleich viel Materie und Antimaterie

Bisher viel zu wenig Antimaterie entdeckt

Gibt es Galaxien aus Antimaterie?

6/27 Vortag im Hauptseminar:Teilchenidentifizierungsmethoden anhand des AMS-DetektorsPatrik Schönfeldt

Dunkle Materie

Galaxien rotieren nicht nach Keppler

Helligkeitsverteilung ließe das aber vermutenLösung: dunkle MaterieKandidaten:

NeutrinosMACHOsWIMPs

v (r)=√GM /r

7/27 Vortag im Hauptseminar:Teilchenidentifizierungsmethoden anhand des AMS-DetektorsPatrik Schönfeldt

Alter des Universums

Geschätztes Alter: 13,75 Milliarden Jahre

Hintergrundstrahlung nach 380.000 JahrenAlso: Guter Anhaltspunkt für Alter des Universums

Technisch: Verhältnis

Expansion desUniversumsabschätzbar

Be⁹ / ¹ Be⁰ (t 1/2=1,51⋅10⁶a)

8/27 Vortag im Hauptseminar:Teilchenidentifizierungsmethoden anhand des AMS-DetektorsPatrik Schönfeldt

Antimaterie

Ursprünglich gleich viel wie Materie

Bisher aber kaum beobachtet

Möglichkeiten:Vernichtung der Antimaterie (CP-Verletzung)

Ungleiche Verteilung im Universum (Antimateriegalaxien)

Nachweis von AM-Sternen:Lichtspektrum nicht unterscheidbar

Schwere Elemente nur aus Sternen (stellare Nukleosynthese)

Einziger(!) Antikohlenstoffkern würde nachweisen

9/27 Vortag im Hauptseminar:Teilchenidentifizierungsmethoden anhand des AMS-DetektorsPatrik Schönfeldt

Der AMS-Detektor

Teilchendetektor für Höhenstrahlung

Besteht aus sieben Subdetektoren

Internationale Kooperation

Kosten: ca. 1,5 Milliarden US-$

Masse: 8,5t

Maße: 3,1×3,4×4,5 m³

Messdauer: 18 Jahre

Detektion bis zu 1TeV/ Teilchen

10.000 Partikel pro Sekunde

10/27 Vortag im Hauptseminar:Teilchenidentifizierungsmethoden anhand des AMS-DetektorsPatrik Schönfeldt

Der AMS-Detektor

11/27 Vortag im Hauptseminar:Teilchenidentifizierungsmethoden anhand des AMS-DetektorsPatrik Schönfeldt

Zugrunde liegende Physik

Teilchengeschwindigkeit

Cherenkovstrahlung

Übergangsstrahlung

Kinetische Energie

Lorentzkraft

12/27 Vortag im Hauptseminar:Teilchenidentifizierungsmethoden anhand des AMS-DetektorsPatrik Schönfeldt

Teilchengeschwindigkeit

Direkte Messung möglichFlugzeit

Strecke

ProblemIn kosmischer Strahlung viele Teilchen mit

Unterschiede kleiner als Messgenauigkeit

Damit kaum Aussagekraft

Lösung: Indirekte MessungCherenkovstrahlung

Übergangsstrahlung

v=st=β⋅c

β≈1

13/27 Vortag im Hauptseminar:Teilchenidentifizierungsmethoden anhand des AMS-DetektorsPatrik Schönfeldt

Cherenkovstrahlung

Ladung polarisiertMoleküleResultierendesDipolmoment beiv > c/nFolge: Kegelförmiger „Überlichtblitz“

cosθc=c 'v

=1nβ

14/27 Vortag im Hauptseminar:Teilchenidentifizierungsmethoden anhand des AMS-DetektorsPatrik Schönfeldt

Übergangsstrahlung

Teilchen und Spiegelladung bilden Dipolfeld

Feld verändert sich mit Abstand von Grenzfläche

Strahlung proportional zum Lorenzfaktor

Auch unterhalb der Cherenkov-Grenze

Sehr sensibel bei

S=13

γ z² ħωpα , ħωpα=√4 πN e re ³me c²

γ≫1

15/27 Vortag im Hauptseminar:Teilchenidentifizierungsmethoden anhand des AMS-DetektorsPatrik Schönfeldt

Kinetische Energie

Abbremsung der Teilchen

Photonen und Leptonen leicht zu stoppen

Geringe Bremsstrahlung bei Hadronen

Detektierte Energie:

Eigener Vortrag zu Calorimetern

Ekin=(γ−1)m0 c²

16/27 Vortag im Hauptseminar:Teilchenidentifizierungsmethoden anhand des AMS-DetektorsPatrik Schönfeldt

Lorentzkraft

Kraft eines Magnetfelds auf bewegte Ladung

Zwingt Teilchen auf Kreisbahn

Radius zeigt Impuls-Ladungs-Verhältnis

Wichtige Bestandteile im Detektor:Magnet (stärker für höhere Massen)

Spurdetektor

(Eigener Seminarvortrag zum Thema Spurrekonstruktion)

ϱ=p

z⋅B=

γmoβc

z⋅B

17/27 Vortag im Hauptseminar:Teilchenidentifizierungsmethoden anhand des AMS-DetektorsPatrik Schönfeldt

Subdetektoren im AMS

Si-Tracker (im Magnetfeld)

Time of Flight

Transition Radiation Detector

Ring Image Cherenkov Counter

Electromagnetic Calorimeter

Anticoincidence Counter

Star Tracker

18/27 Vortag im Hauptseminar:Teilchenidentifizierungsmethoden anhand des AMS-DetektorsPatrik Schönfeldt

Subdetektoren des AMS

19/27 Vortag im Hauptseminar:Teilchenidentifizierungsmethoden anhand des AMS-DetektorsPatrik Schönfeldt

Si-Tracker

8 Lagen

Anordnung: 192 Leitern

Maximal z=26 (Eisen)

300.000 Kanäle

Neodym-Magnetaus AMS-01 (0,125 T)

Geplanter, supraleitender Magnet (0,86T) ausgebaut

Zweck: Messzeitverlängerung

20/27 Vortag im Hauptseminar:Teilchenidentifizierungsmethoden anhand des AMS-DetektorsPatrik Schönfeldt

Time of Flight

Szintillationsdetektor

Aussage über Geschwindigkeit unbrauchbar

Triggerung

Veto bei v<0

Teilchen mit z>1 werden markiert

σ(β)=0,035β

21/27 Vortag im Hauptseminar:Teilchenidentifizierungsmethoden anhand des AMS-DetektorsPatrik Schönfeldt

Transition Radiation Detector

Strahlung entsteht imFleece-Radiator

Detektion überProportionalzählrohre

20 Schichten aus22mm Fleece-Radiator, 6mm Strawtubes gefüllt mit 80/20 Xe/CO2

5376 Kanäle

22/27 Vortag im Hauptseminar:Teilchenidentifizierungsmethoden anhand des AMS-DetektorsPatrik Schönfeldt

Ring Image Cherenkov Counter

Bipolares MaterialSilicia Aerogel (n = 1,05)

Natriumfluorid (n = 1,33)

Photomultiplier10880 Pixel

Auflösung: 8,5×8,5 mm²

23/27 Vortag im Hauptseminar:Teilchenidentifizierungsmethoden anhand des AMS-DetektorsPatrik Schönfeldt

Elecromagnetic Calorimeter

Energiebestimmungdurch EM-WechselwirkungAufschauerung massearmer TeilchenLichtleiter ermöglichen3D-AuflösungKaum Bremsstrahlung bei massereichen Teilchen

24/27 Vortag im Hauptseminar:Teilchenidentifizierungsmethoden anhand des AMS-DetektorsPatrik Schönfeldt

Veto-Counter und AST

Veto-CounterSzintillationsdetektor ausKuraray Y-11(200)M

Lichtleiter und Photomultiplier

Veto-Signal gegen schräg einfallende Strahlung (~80%)

AMICA Star TrackerAstro Mapper for Instruments Check of Attitude

Lagebestimmung des Detektors

Genauigkeit auf Winkelsekunde

Partikelherkunft auf Sternkarte lokalisierbar

25/27 Vortag im Hauptseminar:Teilchenidentifizierungsmethoden anhand des AMS-DetektorsPatrik Schönfeldt

Kombination der Daten

26/27 Vortag im Hauptseminar:Teilchenidentifizierungsmethoden anhand des AMS-DetektorsPatrik Schönfeldt

Quellen und Weiterführendes

Grupen, Schwartz. Particle Detectors SE.Cambridge University Press (2008)

Doktorarbeiten:http://ams.cern.ch/AMS/Thesis/

Vorträge vonBruna Bertucci (University and INFN Perugia)

Carmen Palomares (CIEMAT, Madrid)

AMS-Webseite der NASA:http://ams.nasa.gov/

27/27 Vortag im Hauptseminar:Teilchenidentifizierungsmethoden anhand des AMS-DetektorsPatrik Schönfeldt

Vielen Dank für die Aufmerksamkeit!