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Suche nach Antimaterie im Weltraum AMS. 07.07.2003Michael Vennemann2 Vortragsablauf: Einleitung Einleitung Vorstellung AMS 01 Vorstellung AMS 01 Ausblick/AMS.

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1 Suche nach Antimaterie im Weltraum AMS

2 Michael Vennemann2 Vortragsablauf: Einleitung Einleitung Vorstellung AMS 01 Vorstellung AMS 01 Ausblick/AMS 02 Ausblick/AMS 02

3 Michael Vennemann3 Einleitung: Was sind Antiteilchen? Was sind Antiteilchen? …ein bisschen zur Historie …ein bisschen zur Historie Warum scheint es bei uns keine Antimaterie zu geben? Warum scheint es bei uns keine Antimaterie zu geben?

4 Michael Vennemann4 Was charakterisiert Antiteilchen? Haben dieselbe Masse und denselben Spin wie die Teilchen, aber entgegengesetzte elektromagnetische Eigenschaften wie Ladung und magnetisches Moment Haben dieselbe Masse und denselben Spin wie die Teilchen, aber entgegengesetzte elektromagnetische Eigenschaften wie Ladung und magnetisches Moment Gleiche physikalische Gesetze wie für normale Teilchen gültig Gleiche physikalische Gesetze wie für normale Teilchen gültig

5 Michael Vennemann5 Was charakterisiert Antiteilchen? Teilchen+Antiteilchen=Vernichtung (Annihilation) (daher auch Einsatz in Medizin) Paarbildung Teilchen/Antiteilchen durch Energieanregung Paarbildung Teilchen/Antiteilchen durch Energieanregung Manche Teilchen sind ihre eigenen Antiteilchen, z.B. Photonen Manche Teilchen sind ihre eigenen Antiteilchen, z.B. Photonen Antimaterie=Zusammenfügen von Antiteilchen Antimaterie=Zusammenfügen von Antiteilchen

6 Michael Vennemann6 …ein bisschen zur Historie Energie eines Teilchens lässt sich berechnen zu Energie eines Teilchens lässt sich berechnen zu normalerweise wird positive Lösung gewählt normalerweise wird positive Lösung gewählt Nach relativistischer Erweiterung von Quantenfeldtheorie Nach relativistischer Erweiterung von Quantenfeldtheorie Dirac postuliert 1927 Antiteilchen Dirac postuliert 1927 Antiteilchen

7 Michael Vennemann7 Liste aller bekannten Elementarteilchen/Antiteilchen

8 Michael Vennemann8 Frühere Experimente zur Detektion von Antiteilchen 1932: Anderson entdeckt Positron in kosmischer Strahlung (Nebelkammeranalyse) (Nobelpreis 1936) 1932: Anderson entdeckt Positron in kosmischer Strahlung (Nebelkammeranalyse) (Nobelpreis 1936) 1955: Segré und Chamberlain entdecken Antiproton im Bevatron in Berkeley (Nobelpreis 1959) 1955: Segré und Chamberlain entdecken Antiproton im Bevatron in Berkeley (Nobelpreis 1959) 1965: Beobachtung eines Antideuterons (Antiproton+Antineutron) am Protonsynchroton in Cern wie auch am AGS (Alternating Gradient Synchroton) accelerator am Brookhaven National Laboratory 1965: Beobachtung eines Antideuterons (Antiproton+Antineutron) am Protonsynchroton in Cern wie auch am AGS (Alternating Gradient Synchroton) accelerator am Brookhaven National Laboratory

9 Michael Vennemann9 …weitere bisherige Experimente 1995: CERN: Erzeugung von Antiwasserstoffatomen 1995: CERN: Erzeugung von Antiwasserstoffatomen Häufig: Ballonexperimente Häufig: Ballonexperimente 2. Juni 1998: Start der Discovery mit AMS 01 an Bord 2. Juni 1998: Start der Discovery mit AMS 01 an Bord

10 Michael Vennemann10 Experiment zur Beobachtung des Antiprotons S: Szintillationszähler; sprechen nur auf Teilchen mit bestimmter Energie an S: Szintillationszähler; sprechen nur auf Teilchen mit bestimmter Energie an C: Cerenkov-Zähler; vgl. S C: Cerenkov-Zähler; vgl. S Verhältnis der durchgelaufenen Teilchen zu Zahl der Antiprotonen: 1/40000 Verhältnis der durchgelaufenen Teilchen zu Zahl der Antiprotonen: 1/40000

11 Michael Vennemann11 Experiment zur Beobachtung des Antiprotons Erster Ablenkmagnet: wählt nur negative Teilchen aus Erster Ablenkmagnet: wählt nur negative Teilchen aus Zwischen S 1 und S 2 : M 2 als Impulsselektor Zwischen S 1 und S 2 : M 2 als Impulsselektor Signal bei S 2 nur, wenn Zeit zw. S 1 und S 2 passend Signal bei S 2 nur, wenn Zeit zw. S 1 und S 2 passend

12 Michael Vennemann12 Experiment zur Beobachtung des Antiprotons Cerenkov-Zähler: Geschwindigkeits- abhängig zur Eleminierung zufälliger Koinzidenz Cerenkov-Zähler: Geschwindigkeits- abhängig zur Eleminierung zufälliger Koinzidenz C 1 unempfindlich gegenüber Antiprotonen, C 2 unempfindlich gegenüber Mesonen C 1 unempfindlich gegenüber Antiprotonen, C 2 unempfindlich gegenüber Mesonen

13 Michael Vennemann13 Ergebnis des Experiments zur Beobachtung des Antiprotons

14 Michael Vennemann14 Warum scheint es bei uns keine Antimaterie zu geben? Große Annihilation nach Entstehung des Universums (erst war beides da) Große Annihilation nach Entstehung des Universums (erst war beides da) Universum besteht nur aus Überschussmasse ( zu Teilchen) Universum besteht nur aus Überschussmasse ( zu Teilchen) CP-Verletzung Ursache des Überschusses CP-Verletzung Ursache des Überschusses Antimateriebereiche im All, die von hier nicht messbar sind Antimateriebereiche im All, die von hier nicht messbar sind

15 Michael Vennemann15 Bisherige Nachweisversuche von kosmischer Antimaterie Indirekt: Suche nach charakteristischer Gammastrahlung (durch Vernichtung) Suche nach charakteristischer Gammastrahlung (durch Vernichtung) Keine so intensive Gammastrahlung messbar Keine so intensive Gammastrahlung messbar Falls Antisterne existieren, liegen sie außerhalb der Reichweite unserer Teleskope (mehrere Mrd. Lichtjahre entfernt) Falls Antisterne existieren, liegen sie außerhalb der Reichweite unserer Teleskope (mehrere Mrd. Lichtjahre entfernt)

16 Michael Vennemann16 Bisherige Nachweisversuche von kosmischer Antimaterie Direkt: Suche nach Antiteilchen in der kosmischen Strahlung Suche nach Antiteilchen in der kosmischen Strahlung Bisherige Messmethode: Ballonexperimente Bisherige Messmethode: Ballonexperimente In oberen Atmosphäreschichten In oberen Atmosphäreschichten im niederenergetischen Bereich so viele Positronen wie angenommen, im höherenergetischen Bereich mehr im niederenergetischen Bereich so viele Positronen wie angenommen, im höherenergetischen Bereich mehr

17 Michael Vennemann17 Bisherige Nachweisversuche von kosmischer Antimaterie Überschuss könnte systematischer Messfehler sein Überschuss könnte systematischer Messfehler sein Wenn nicht, so Hinweis auf bislang unbekannte Quelle hochenergetischer Positronen im Kosmos Wenn nicht, so Hinweis auf bislang unbekannte Quelle hochenergetischer Positronen im Kosmos WIMPS (dunkle Materie) WIMPS (dunkle Materie)

18 Michael Vennemann18 Mögliche Quellen von Antiteilchen Antiteilchen kommen in kosmischer Strahlung vor Antiteilchen kommen in kosmischer Strahlung vor Zur Entstehung dieser viele Theorien, z.B. Super-Nova-Explosionen (da große Energien mögliche Antiteilchenentstehung), Sonnenflecken, schwarze Löcher, … Zur Entstehung dieser viele Theorien, z.B. Super-Nova-Explosionen (da große Energien mögliche Antiteilchenentstehung), Sonnenflecken, schwarze Löcher, …

19 Michael Vennemann19 Motivation für AMS 01 Vorteil: im Weltraum Vorteil: im Weltraum Keine störende Atmosphäre Keine störende Atmosphäre Höhere Präzision als bei vorangegangenen Versuchen Höhere Präzision als bei vorangegangenen Versuchen Antimaterie könnte detektiert werden (ein Antikohlenstoffkern würde reichen, da nicht zufällig erzeugt werden kann) (nur gezeigt, dass keins bis 10 Mpc) Antimaterie könnte detektiert werden (ein Antikohlenstoffkern würde reichen, da nicht zufällig erzeugt werden kann) (nur gezeigt, dass keins bis 10 Mpc) Müsste in Anti-Stern erzeugt sein Müsste in Anti-Stern erzeugt sein

20 Michael Vennemann20 Motivation für AMS 01 Messung des Anteils von Antimaterienukliden in deutlich höherer Genauigkeit Messung des Anteils von Antimaterienukliden in deutlich höherer Genauigkeit Einsatz als Gammastrahlenteleskop Einsatz als Gammastrahlenteleskop Annihilation Annihilation Erforschung von weiteren Gammastrahlenquellen Erforschung von weiteren Gammastrahlenquellen

21 Michael Vennemann21 Motivation für AMS 01 Suche nach dunkler Materie Suche nach dunkler Materie Vorbereitung auf AMS 02: Vorbereitung auf AMS 02: Untergrundstudien Untergrundstudien Bei Start/Landung Beschleunigungen bis 9g,Temperaturschwankungen zw. -180° und 50 °C etc. Bei Start/Landung Beschleunigungen bis 9g,Temperaturschwankungen zw. -180° und 50 °C etc. Messverfahren unter realistischen Bedingungen testen Messverfahren unter realistischen Bedingungen testen

22 Michael Vennemann22 AMS 01

23 Michael Vennemann23 AMS 01

24 Michael Vennemann24 Aufbau von AMS 01 Nd-Fe-B Permanentmagnet: 2,5 t 2,5 t B max =0,14T B max =0,14T Dipolares Feld Dipolares Feld

25 Michael Vennemann25 Aufbau von AMS 01 Silizium-Spur-Detektor: Messgenauigkeit: 10 μm Messgenauigkeit: 10 μm Ladungsvorzeichen Ladungsvorzeichen Energieverlust (dE/dx) Energieverlust (dE/dx) Steifigkeit (rigidity) (Maß für Impuls) Steifigkeit (rigidity) (Maß für Impuls)

26 Michael Vennemann26 Aufbau von AMS 01 ToF-Szintillatoren: Determinierung der Geschwindigkeit und Richtung der einfallenden Teilchen Determinierung der Geschwindigkeit und Richtung der einfallenden Teilchen Auflösung: besser als 100 ps Auflösung: besser als 100 ps

27 Michael Vennemann27 Aufbau von AMS 01 Antikoinzidenz- Szintillatoren (ACC): Elimination seitlich eindringender Teilchen Elimination seitlich eindringender Teilchen Umgibt Silizium-Spur- Detektor zylindrisch Umgibt Silizium-Spur- Detektor zylindrisch

28 Michael Vennemann28 AMS 01

29 Michael Vennemann29 Aufbau von AMS 01 Aerogel Schwellen Cerenkov Zähler (ATC): Ziel: Trennung von Elektronen und Antiprotonen (bis zu Impuls von 4 GeV/c) Ziel: Trennung von Elektronen und Antiprotonen (bis zu Impuls von 4 GeV/c)

30 Michael Vennemann30 Aufbau von AMS 01 Low Energy Particle Shield: Unterdrückung des Untergrundes bis E=5MeV Unterdrückung des Untergrundes bis E=5MeV

31 Michael Vennemann31 AMS 01

32 Michael Vennemann32 Ergebnisse von AMS 01: 90 Stunden Datenaufzeichnung 90 Stunden Datenaufzeichnung Unterschiedliche Einstellungen und Höhen (h= km) Unterschiedliche Einstellungen und Höhen (h= km) Alle Längengrade, Breitengrade ±51,7° Alle Längengrade, Breitengrade ±51,7° Identifiziert: e±, p, D, He, schwere Kerne Identifiziert: e±, p, D, He, schwere Kerne Kein Kandidat mit Z=-2 Kein Kandidat mit Z=-2 AntiHe/He < 1,1*10 -6 AntiHe/He < 1,1*10 -6

33 Michael Vennemann33 Ergebnisse von AMS 01: Unerwartet hohe Positronendichte in der Nähe des Äquators Unerwartet hohe Positronendichte in der Nähe des Äquators Protonen und Elektronen halten sich in einem bis dahin unbekannten Gürtel 400 km über Äquator auf Protonen und Elektronen halten sich in einem bis dahin unbekannten Gürtel 400 km über Äquator auf

34 Michael Vennemann34 Ergebnisse von AMS 01

35 Michael Vennemann35 Aufgaben für AMS 02 Messung von hochenergetischen Positronen und Elektronen sowie niederenergetischen Antiprotonen Messung von hochenergetischen Positronen und Elektronen sowie niederenergetischen Antiprotonen Bestimmung von Teilchen bis Z=25 (AMS 01: Z=2) Bestimmung von Teilchen bis Z=25 (AMS 01: Z=2) Suche nach Antikohlenstoff- und Antiheliumkernen in Entfernung von 150 Mpc durch Steigerung der Empfindlichkeit Suche nach Antikohlenstoff- und Antiheliumkernen in Entfernung von 150 Mpc durch Steigerung der Empfindlichkeit

36 Michael Vennemann36 Hauptaufgabenfelder der RWTH Aachen Detektorentwicklung Detektorentwicklung Bau von Subdetektoren Bau von Subdetektoren Physikalische Analyse der Daten Physikalische Analyse der Daten

37 Michael Vennemann37 AMS 02 auf der ISS

38 Michael Vennemann38 AMS 02

39 Michael Vennemann39 AMS 02 Supraleitender Magnet: Lebensdauer: 3 Jahre ohne Nachfüllen Lebensdauer: 3 Jahre ohne Nachfüllen Dipolares magn. Feld bei 0,87 T Dipolares magn. Feld bei 0,87 T Gewicht: 3t Gewicht: 3t

40 Michael Vennemann40 AMS 02 SRD – Syncroton Radiation Detector Ziel: Nachweis von TeV Elektronen und PeV Protonen Ziel: Nachweis von TeV Elektronen und PeV Protonen Ladungsvorzeichen- bestimmung Ladungsvorzeichen- bestimmung

41 Michael Vennemann41 AMS 02 TRD – Transition Radiation detector: TRD – Transition Radiation detector: Misst Geschwindigkeit Misst Geschwindigkeit Messbereich bis 300 GeV für Protonen Messbereich bis 300 GeV für Protonen Elektron/Hadron Trennung besser Elektron/Hadron Trennung besser 10 -3

42 Michael Vennemann42 AMS 02 RICH: Ring Imaging Cherenkov Detector Ziel: Ladungsbestimmung bis Z=25 Ziel: Ladungsbestimmung bis Z=25 Geschwindigkeits- bestimmung Geschwindigkeits- bestimmung

43 Michael Vennemann43 Zeitplanung Ursprüngliche Planung: Inbetriebnahme 2005 für 3-5 Jahre auf der ISS Ursprüngliche Planung: Inbetriebnahme 2005 für 3-5 Jahre auf der ISS Seit Challenger-Unglück muss Zeitplan vermutlich revidiert werden. Seit Challenger-Unglück muss Zeitplan vermutlich revidiert werden.


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