Das Alpha Magnet Spektrometer auf der Suche nach Antikohlenstoff Joachim Stroth

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

Das Antimaterie-Rätsel Hadronisierung Nach gegenwärtigem Verständnis entstand Materie aus dem Vakuum während der Frühphase des Urknalls 10-34s QGP GUT 10-43s x 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. Baryonenzahlerhaltung zwingt die Natur Teilchen lediglich als Paare zu erzeugen. Die einzigen Theorien zu Universen die experimentell überprüft werden können sind Theorien zum existierenden Universum - dies bedeutet nicht, daß es im Prinzip auch andere Universen geben könnte. Kurzreichweitigkeit von starker und schwacher Wechselwirkung verhindert das Überprüfen z.B. der Baryonenzahl eines schwarzen Lochs. Fallen Baryonen in ein schwarzes Loch so sind sie für immer verschwunden - die Baryonenzahl ist also nicht erhalten. Keine Vernichtungsstrahlung vom Virgo Galaxien-Cluster, welches über 20 Mpc entfernt ist. AMS Prop: Keine große Ansammlung innerhalb 10 Mpc

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 mB=0 wenn Baryonenzahl nicht erhalten ist

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  35-45 GeV aber MH > 82.2 GeV (LEP) COBE, Hintergrundstrahlung Symmetrisches Universum (B=0) Fluktuationen im Urknall (Blasenbildung), separierte Anti-Galaxienhaufen Zusätzliche schwach- wechselwirkende Baryonen Keine Antimaterie in unserem Sonnensystem (z.B. Antiplaneten), ansonsten führen Kollisionen mit Sonnenwind zur Vernichtung -> Vernichtungsstrahlung stärkste Gammastrahlung (pp Vernichtung -> Vernichtungsstrahlung von p0). Antiproton zu Proton in kosmischer Strahlung 3 10-4, Antihelium zu Helium 10-5. Untersuchung Gammastrahlung -> keine Antimaterie innerhalb 20 Mpsec. Baryon zu Entropie Verhältnis (Baryonenzahl) B = 6-10 10-11. Größe unserer Galaxie 100 kpc (1 pc = 4 Lichtjahre) 1 pc Distanz unter der die Erdumlaufbahn innerhalb einer parsec erscheint Zu neues Baryon, IDEE: Antileptonenladung ist gleich Baryonenladung -> Universum is Baryonzahlsymmetrisch!!!

Nachweis von kosmischer Antimaterie Bisherige Experimente Ballon-Experimente (Supraleitende Magneten, Kalorimeter) effektive Targetdicke 5 g/cm2 Satelliten-Experiment (Erdmagnetfeld) Bisher keine Antikerne mit Z  2 nachgewiesen Die bisher in Höhenstrahlung entdeckte Häufigkeit von Antimaterie (Anti-Proton, -Hleium) kann durch Produktion in Reaktionen kosmischer Strahlung erklärt werden. Keine Hinweise auf Vernichtungs von Antiteilchen-Teilchen in Strahlung

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.)

Alpha Magnetic Spectrometer AMS: Erstes Magnetspektrometer im Raum (400 km ü.NN) 6/1998: Shuttle (Flug STS-91) 2001-2003: Internationale Raumstation Raumwinkel: 0.6 m2 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

Aufbau des Spektrometers Permanentmagnet: Nd2Fe14B (Vakuumschmelze Hanau) Gewicht: 1900 kg Dipolfeld: Bmax 0.15 T Detektorsysteme: Spurverfolgung und Ladungsmessung Silizium-Mikrostreifen 6 Lagen (T1-T6) 6 m2 dx = 8 mm, dy = 25 mm Flugzeit (dt = 115 ps) Szintillator-Streifen (S1-S4) Untergrund, Redundanz Cherenkov-Zähler (psp = 3.5 GeV) Antikoinzidenz-Zähler (ACC)

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 Auflösung, Akzeptanz in P, PID in M etc. Untergundunterdrückung

Nachweis der Sensitivität Anhand vollständiger Simulation mit GEANT

Shuttle-Orientierung in angekoppelter Position (MIR) Rohdaten Shuttle-Orientierung in angekoppelter Position (MIR) 2 1 AMS Erde 2 1

Rohspektren für Masse und Impuls

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

AMS auf der Internationalen Raumstation 2002-2004: 1010 Untergrund-Teilchen (e,p,p,He,C,..)

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

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 nx  ng T=M: X kann nicht nachgebildet werden. Zerfall langsamer als Expansion CP-Verletzung im X-Zerfall führt zu Baryonenüberschuß Hat mit der inflationären Expansion zu tun und Zerfall der schweren Bosonen langsamer als die Abkühlung (Nichtadiabatische Ausdehnung). In GUT entsteht Baryonennichterhaltung durch Vereinigung aller Teilchen in einer Symmetriegruppe. Dadurch können Baryonen in Leptonen überführt werden. CP dagegen muß explizit eingebaut werden.

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:

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

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

Lebensdauer des Protons Grand Unified Theories sehr schweres Boson (X) als Vermittler der Wechselwirkung in der vereinheitlichten Eichgruppe aus Quarks und Leptonen X: Higgs-Boson M > 1010 GeV X: Eichboson M > 1014 GeV

CP Verletzung im Kaonensystem Das neutrale Kaonensystem besitzt zwei Eigenzustände bei Ankopplung der Schwachen Wechselwirkung mit: CP(KS)=+1, CP(KL)=-1 Zwei Pionen haben CP = +1, drei Pionen CP=-1, daher sollte das Klong nicht in 2 Pionen zerfallen. Für die Baryon-Asymmetrie sind CP-Verletzung aufgrund spontaner Symmetriebrechung interessant, bei denen der Lagrangian Ladungs-symmetrisch ist und durch Ankopplung eines Kondensats eines skalaren Feldes die Symmetrie gebrochen wird (T.D. Lee).