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

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1 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

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

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

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

5 Das AMS-Experiment Seminar zur Astro-, Kern- und Teilchenphysik 2002 Grundlagen: kosmische Strahlung Primäre kosmische Strahlung - Fakten: Stammt direkt aus dem Kosmos Elementarteilchenstrom hoher Energie >80% aus Protonen mit E= eV 7% aus Alpha-Teilchen 1% Kerne schwerer Elemente (Z>20) Ab h50km nur noch primäre kosmische Strahlung

6 Das AMS-Experiment Seminar zur Astro-, Kern- und Teilchenphysik 2002 Grundlagen: 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...)

7 Das AMS-Experiment Seminar zur Astro-, Kern- und Teilchenphysik 2002 Grundlagen: kosmische Strahlung 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 *

8 Das AMS-Experiment Seminar zur Astro-, Kern- und Teilchenphysik 2002 Grundlagen: Antimaterie Dirac E=± mc 2 (Sonderfall p=0, E 2 =m 2 c 4 +p 2 c 2 SRT) Positron postuliert *

9 Das AMS-Experiment Seminar zur Astro-, Kern- und Teilchenphysik 2002 Grundlagen: Antimaterie Antimaterie 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

10 Das AMS-Experiment Seminar zur Astro-, Kern- und Teilchenphysik 2002 Grundlagen: Antimaterie *

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

12 Das AMS-Experiment Seminar zur Astro-, Kern- und Teilchenphysik 2002 Die Suche nach Antimaterie: frühere Experimente 1995: Low Energy Antiproton Ring (LEAR) CERN: 9 Antiatome erzeugt 1997: Fermilab: Erzeugung von Antiwasserstoff (im relativistischen Zustand)

13 Das AMS-Experiment Seminar zur Astro-, Kern- und Teilchenphysik 2002 Die Suche nach Antimaterie: frühere Experimente Heute: Antiproton Decelerator CERN mit 3 Experimenten: ASACUSA, ATHENA, ATRAP 16 Sept 2002: ATHENA produziert Tausende von Antiatomen

14 Das AMS-Experiment Seminar zur Astro-, Kern- und Teilchenphysik 2002 Die Suche nach Antimaterie: Experimente - kosmische Strahlung Indirekt: 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)

15 Das AMS-Experiment Seminar zur Astro-, Kern- und Teilchenphysik 2002 Die Suche nach Antimaterie: Experimente - kosmische Strahlung Direkt: 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/cm 2 Atmosphäre über sich

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

17 Das AMS-Experiment Seminar zur Astro-, Kern- und Teilchenphysik 2002 Die Suche nach Antimaterie: Experimente - kosmische Strahlung

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

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

20 Das AMS-Experiment Seminar zur Astro-, Kern- und Teilchenphysik 2002 Motivation für das AMS-Experiment Verhältniss: Überschuss Materie Antimaterie β= (N B -N AB )/N γ 6 x N γ =412/cm3, N B »N AB

21 Das AMS-Experiment Seminar zur Astro-, Kern- und Teilchenphysik 2002 Motivation für das AMS-Experiment Modelle Baryogenese Heavy particle decay in GUT mit XBosonzerfall in Quark/Antiquark/Leptoquark Electroweak – Phasenübergang EW- broken/EW-unbrokenProblem Higgsmasse Baryo-thru-lepto-genesis (Majorana-Neutrino / Leptonasymmetrie / elektroschwach) Black hole evaporation (Auflösung von Schwarzen Löchern niedriger Masse) Spontane Baryogenese SuSy condensate baryogenese

22 Das AMS-Experiment Seminar zur Astro-, Kern- und Teilchenphysik 2002 Motivation für das AMS-Experiment Modelle Antibaryogenese Primordial black holes

23 Das AMS-Experiment Seminar zur Astro-, Kern- und Teilchenphysik 2002 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= ; Anti-C/Anti-p= Beweis galaktische Antimaterie (Bei Antikohlenstoff Beweis für Antimateriesterne) *

24 Das AMS-Experiment Seminar zur Astro-, Kern- und Teilchenphysik 2002 AMS: physikalische Ziele 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

25 Das AMS-Experiment Seminar zur Astro-, Kern- und Teilchenphysik 2002 AMS: physikalische Ziele 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

26 Das AMS-Experiment Seminar zur Astro-, Kern- und Teilchenphysik 2002 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: < 1 x g/s/cm 2 Maximales Gewicht lbs (Kosten: $/lbs) Maximale Leistungsaufnahme: 2kW,1 Stromkabel mit 120 V Maximale Datenrate: 1Mbyte/s (optischer Link zur ISS) +

27 Das AMS-Experiment Seminar zur Astro-, Kern- und Teilchenphysik 2002 AMS-01 Hauptziel: Verifizierung der vollen Detektor- performance Hintergrundstudien (gegenläufige, fehlidentifizierte Nuklei und durch Albedos)

28 Das AMS-Experiment Seminar zur Astro-, Kern- und Teilchenphysik 2002 AMS-01: Permanentmagnet Nd-Fe-B Permanentmagnet: 2,5 Tonnen Bmax = 0,14 T Dipolares Feld

29 Das AMS-Experiment Seminar zur Astro-, Kern- und Teilchenphysik 2002 AMS-01/02: Silicon Tracker 6 (8) horizontale Lagen von doppel- seitigen Silikon- Mikrostreifen- Detektoren 4 im inneren des Magnethohlraumes, 2 darüber / darunter

30 Das AMS-Experiment Seminar zur Astro-, Kern- und Teilchenphysik 2002 AMS-01/02: Silicon Tracker

31 Das AMS-Experiment Seminar zur Astro-, Kern- und Teilchenphysik 2002 AMS-01/02: Silicon Tracker Jeder Strip wird alle 100 (200) µm in x- Richtung abgelesen Auflösung: ~10µm in Ablenkrichtung ~30µm orthogonal Aufgaben: Ladungsvorzeichen Energieverlust (dE/dx) Steifigkeit (p/Z) (rigidity)

32 Das AMS-Experiment Seminar zur Astro-, Kern- und Teilchenphysik 2002 AMS-01/02: Szintillatorsystem Time 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

33 Das AMS-Experiment Seminar zur Astro-, Kern- und Teilchenphysik 2002 AMS-01/02: Szintillatorsystem Antikoinzidenz Szintillatoren (ACC) Paddle: 800 mm lang, 8 mm dick. Ausgelesen von jeweils einer Photomultiplierröhre Ziel: Elimination seitlich eindringender Teilchen

34 Das AMS-Experiment Seminar zur Astro-, Kern- und Teilchenphysik 2002 AMS-01: Aerogel Treshold Cerenkov Counter (ATC) Besteht aus 2 Lagen von 10x10 cm 2 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 10 4 Brechungsindex (n = 1.065) der Aerogelblöcke erlaubt eine Antiprotonenidentifikation bis zu 4 GeV Ziel: Trennung von Elektronen und Antiprotonen

35 Das AMS-Experiment Seminar zur Astro-, Kern- und Teilchenphysik 2002 AMS-01: Aerogel Treshold Cerenkov Counter (ATC)

36 Das AMS-Experiment Seminar zur Astro-, Kern- und Teilchenphysik 2002 AMS-01/02 Low Energie Particle Shield 10 mm Kohlenstoffverbundmaterial Ziel: Unterdrückung des Untergrunds bis E=5MeV

37 Das AMS-Experiment Seminar zur Astro-, Kern- und Teilchenphysik 2002 AMS-01

38 Das AMS-Experiment Seminar zur Astro-, Kern- und Teilchenphysik 2002 AMS-01 Das AMS-Experiment bei letzten Vorbereitungen am Kennedy Space Center (KSC), danach erfolgt der Einbau in die Ladebucht des Space Shuttles.

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

40 AMS-01

41 Das AMS-Experiment Seminar zur Astro-, Kern- und Teilchenphysik 2002 AMS-01: Ergebnisse 90 Stunden Datenaufzeichnung Unterschiedliche Einstellungen und Höhen (h= 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

42 Das AMS-Experiment Seminar zur Astro-, Kern- und Teilchenphysik 2002 AMS-01

43 Das AMS-Experiment Seminar zur Astro-, Kern- und Teilchenphysik 2002 Ergebnisse: AMS-01 Suche nach Antihelium

44 Das AMS-Experiment Seminar zur Astro-, Kern- und Teilchenphysik 2002 Ergebnisse: AMS-01 Suche nach Antihelium Kein passender Kandidat mit Z = -2 Hypothese: selbes Spektrum für He and AntiHe AMS-01 98: R < 100GV : AntiHe/He < 1.1 × Kein Kandidat für schwere Antikerne Li - N Messgrenze 5 × 10 -5

45 Das AMS-Experiment Seminar zur Astro-, Kern- und Teilchenphysik 2002 Ergebnisse AMS-01 Teilchengürtel im Erdmagnet- feld entdeckt

46 Das AMS-Experiment Seminar zur Astro-, Kern- und Teilchenphysik 2002 Ergebnisse AMS-01

47 Das AMS-Experiment Seminar zur Astro-, Kern- und Teilchenphysik 2002 AMS-01 Ergebnisse Zuviele Positronen Zuviel 3He +

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

49 Das AMS-Experiment Seminar zur Astro-, Kern- und Teilchenphysik 2002 AMS-02: RICH Ring imaging Cherenkov detector Ziel: Ladungsbestimmung bis Z=25 Geschwindigkeitsbestimmung

50 Das AMS-Experiment Seminar zur Astro-, Kern- und Teilchenphysik 2002 AMS-02:

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

52 Das AMS-Experiment Seminar zur Astro-, Kern- und Teilchenphysik 2002 AMS-02: TRD Transition radiation detector Messbereich bis 300 GeV (für Protonen) Ziel: Elektron/Hadron Trennung (besser )

53 Das AMS-Experiment Seminar zur Astro-, Kern- und Teilchenphysik 2002 AMS-02: Ecal 3D Kalorimeter EM-calorimeter Ziel: Ausweitung der Elektron/Hadron Trennung bis ca. 1 TeV

54 Das AMS-Experiment Seminar zur Astro-, Kern- und Teilchenphysik 2002 Erwartungen AMS-02

55 Das AMS-Experiment Seminar zur Astro-, Kern- und Teilchenphysik 2002 Erwartungen AMS-02

56 Das AMS-Experiment Seminar zur Astro-, Kern- und Teilchenphysik 2002 Erwartungen AMS-02

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

58 Das AMS-Experiment Seminar zur Astro-, Kern- und Teilchenphysik 2002 Quellenverzeichnis AMS CERN ams.cern.ch A.D. Dolgov. Antimatter in the universe. arXiv:astro-ph/ v1 20 Jul 2002 Martin Pohlmar: The AMS Experiment: Particle Astrophysics in Space Trento Summary: Antimatter & Darkmatter Search status ams02/talks/trento/trento.pdf Tag der Raumfahrt: Das AMS-Experiment aachen.de/~ams/news/SpaceDay / ams_faltblatt_2001_09_21.pdf Jay Orear. Physik. München 1982 Gerthsen. Physik. Freising 1995


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