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Das Alpha Magnet Spektrometer auf der Suche nach Antikohlenstoff Joachim Stroth.

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Präsentation zum Thema: "Das Alpha Magnet Spektrometer auf der Suche nach Antikohlenstoff Joachim Stroth."—  Präsentation transkript:

1 Das Alpha Magnet Spektrometer auf der Suche nach Antikohlenstoff Joachim Stroth

2 Die Entdeckung der Antimaterie 1930Paul Dirac: Paarweises Auftreten von Elementarteilchen als Konsequenz einer relativistischen Quantentheorie. 1933Carl Anderson: Entdeckung des Positrons bei Reaktionen von kosmischen Teilchen in einer Nebelkammer. 1955Bevatron/LBL: Nachweis von Antiprotonen in p-p Kollisionen. 1965PS/CERN: Nachweis des Anti-Deuteron in p-Be Kollisionen. 1995LEAR/CERN: Synthese von Antiatomen (Wasserstoff) durch Positroneneinfang am Antiproton.

3 Das Antimaterie-Rätsel Nach gegenwärtigem Verständnis entstand Materie aus dem Vakuum während der Frühphase des Urknalls Wenn Materie aber nur paarweise erzeugt werden kann, warum leben wir dann in einer Welt ohne Antimaterie? Evidenz für fehlende Antimaterie:  Keine entsprechende Vernichtungsstrahlung gefunden.  Zu wenig Antiprotonen in der kosmischen Teilchenstrahlung s s s GUT QGP Hadronisierung t x

4 Kriterien von Sacharov (1967) Drei Voraussetzungen für die Entstehung einer Baryonenasymmetrie im Urknall  Verletzung der Baryonenzahlerhaltung Leptonen zerfallen in Quarks und umgekehrt  C und CP Verletzung Die Zerfallsraten sind für Quarks und Antiquarks unterschiedlich  Kein thermisches Gleichgewicht  B =0 wenn Baryonenzahl nicht erhalten ist

5 Antimaterie 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  GeV aber M H > 82.2 GeV (LEP) Symmetrisches Universum (B=0)  Fluktuationen im Urknall (Blasenbildung), separierte Anti-Galaxienhaufen  Zusätzliche schwach- wechselwirkende Baryonen COBE, Hintergrundstrahlung

6 Nachweis von kosmischer Antimaterie Bisherige Experimente  Ballon-Experimente ( Supraleitende Magneten, Kalorimeter) effektive Targetdicke 5 g/cm 2  Satelliten-Experiment ( Erdmagnetfeld )  Bisher keine Antikerne mit Z  2 nachgewiesen

7 Ein 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.)

8 Alpha Magnetic Spectrometer Raumwinkel: 0.6 m 2 sr Messgrößen: |Z|, sign(Z), M, v AMS, installiert auf Discovery für Mission STS-91 (MIR Ankopplung)  Gesamtflugdauer: 9 Tage Flughöhe 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) : Internationale Raumstation

9 Aufbau des Spektrometers Permanentmagnet:  Nd 2 Fe 14 B (Vakuumschmelze Hanau)  Gewicht: 1900 kg  Dipolfeld: B max 0.15 T Detektorsysteme:  Spurverfolgung und Ladungsmessung  Silizium-Mikrostreifen 6 Lagen (T1-T6) 6 m 2  x = 8  m,  y = 25  m  Flugzeit (  t = 115 ps)  Szintillator-Streifen (S1-S4)  Untergrund, Redundanz  Cherenkov-Zähler (p s p = 3.5 GeV)  Antikoinzidenz-Zähler (ACC)

10 Identifikation von Antimaterie  Signatur: Teilchenspur mit „negativer“ Krümmung  Methode  Ablenkung im Magnetfeld  Mehrfachmessung der Trajektorie  Untergrund durch:  Streuung im Detektormaterial  Falschinterpretation der Flugrichtung  Zufällige Koinzidenzen

11 Nachweis der Sensitivität Anhand vollständiger Simulation mit GEANT

12 Rohdaten Shuttle-Orientierung in angekoppelter Position (MIR) AMS Erde

13 Rohspektren für Masse und Impuls

14 Das 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

15 AMS auf der Internationalen Raumstation : Untergrund-Teilchen (e,p,p,He,C,..)

16 Zusammenfassung  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

17 Baryogenese 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 n x  n    X kann nicht nachgebildet werden. Zerfall langsamer als Expansion  CP-Verletzung im X-Zerfall führt zu Baryonenüberschuß

18 Baryonenzahl 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:

19 Baryonen-Asymmetrie  Heute (T = 3K)  1  s nach dem Knall (T  1 GeV)  Heutiger Überschuß resultiert aus einer geringen Asymmetrie bei insgesamt hoher Nukleonenanzahl

20 Proton-Antiproton Vernichtung Bei Vernichtung in Ruhe: Zerfall in 5-6 Pionen Signal von rotverschobenen Photonen aus dem Pionenzerfall nach Paarvernichtung im Urknall

21 Lebensdauer des Protons  Grand Unified Theories sehr schweres Boson (X) als Vermittler der Wechselwirkung in der vereinheitlichten Eichgruppe aus Quarks und Leptonen  X: Higgs-BosonM > GeV  X: EichbosonM > GeV

22 CP Verletzung im Kaonensystem Das neutrale Kaonensystem besitzt zwei Eigenzustände bei Ankopplung der Schwachen Wechselwirkung mit: CP(K S )=+1, CP(K L )=-1


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