Suche nach Antimaterie im Weltraum AMS

Vortragsablauf: Einleitung Vorstellung AMS 01 Ausblick/AMS 02 07.07.2003 Michael Vennemann

Einleitung: Was sind Antiteilchen? …ein bisschen zur Historie Warum scheint es bei uns keine Antimaterie zu geben? 07.07.2003 Michael Vennemann

Was charakterisiert Antiteilchen? 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 07.07.2003 Michael Vennemann

Was charakterisiert Antiteilchen? Teilchen+Antiteilchen=Vernichtung (Annihilation) (daher auch Einsatz in Medizin) Paarbildung Teilchen/Antiteilchen durch Energieanregung Manche Teilchen sind ihre eigenen Antiteilchen, z.B. Photonen Antimaterie=Zusammenfügen von Antiteilchen 07.07.2003 Michael Vennemann

…ein bisschen zur Historie Energie eines Teilchens lässt sich berechnen zu normalerweise wird positive Lösung gewählt Nach relativistischer Erweiterung von Quantenfeldtheorie Dirac postuliert 1927 Antiteilchen 07.07.2003 Michael Vennemann

Liste aller bekannten Elementarteilchen/Antiteilchen 07.07.2003 Michael Vennemann

Frühere Experimente zur Detektion von Antiteilchen 1932: Anderson entdeckt Positron in kosmischer Strahlung (Nebelkammeranalyse) (Nobelpreis 1936) 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 07.07.2003 Michael Vennemann

…weitere bisherige Experimente 1995: CERN: Erzeugung von Antiwasserstoffatomen Häufig: Ballonexperimente 2. Juni 1998: Start der Discovery mit AMS 01 an Bord 07.07.2003 Michael Vennemann

Experiment zur Beobachtung des Antiprotons S: Szintillationszähler; sprechen nur auf Teilchen mit bestimmter Energie an C: Cerenkov-Zähler; vgl. S Verhältnis der durchgelaufenen Teilchen zu Zahl der Antiprotonen: 1/40000 07.07.2003 Michael Vennemann

Experiment zur Beobachtung des Antiprotons Erster Ablenkmagnet: wählt nur negative Teilchen aus Zwischen S1 und S2: M2 als Impulsselektor Signal bei S2 nur, wenn Zeit zw. S1 und S2 „passend“ 07.07.2003 Michael Vennemann

Experiment zur Beobachtung des Antiprotons Cerenkov-Zähler: Geschwindigkeits-abhängig zur Eleminierung zufälliger Koinzidenz C1 unempfindlich gegenüber Antiprotonen, C2 unempfindlich gegenüber Mesonen 07.07.2003 Michael Vennemann

Ergebnis des Experiments zur Beobachtung des Antiprotons 07.07.2003 Michael Vennemann

Warum scheint es bei uns keine Antimaterie zu geben? Große Annihilation nach Entstehung des Universums („erst war beides da“)  Universum besteht nur aus „Überschussmasse“ (30.000.000.000 zu 30.000.000.001 Teilchen) CP-Verletzung Ursache des Überschusses Antimateriebereiche im All, die von hier nicht messbar sind 07.07.2003 Michael Vennemann

Bisherige Nachweisversuche von kosmischer Antimaterie Indirekt: Suche nach charakteristischer Gammastrahlung (durch Vernichtung) Keine so intensive Gammastrahlung messbar Falls Antisterne existieren, liegen sie außerhalb der Reichweite unserer Teleskope (mehrere Mrd. Lichtjahre entfernt) 07.07.2003 Michael Vennemann

Bisherige Nachweisversuche von kosmischer Antimaterie Direkt: Suche nach Antiteilchen in der kosmischen Strahlung Bisherige Messmethode: Ballonexperimente In oberen Atmosphäreschichten im niederenergetischen Bereich so viele Positronen wie angenommen, im höherenergetischen Bereich mehr 07.07.2003 Michael Vennemann

Bisherige Nachweisversuche von kosmischer Antimaterie Überschuss könnte systematischer Messfehler sein Wenn nicht, so Hinweis auf bislang unbekannte Quelle hochenergetischer Positronen im Kosmos WIMPS (dunkle Materie) 07.07.2003 Michael Vennemann

Mögliche Quellen von Antiteilchen Antiteilchen kommen in kosmischer Strahlung vor Zur Entstehung dieser viele Theorien, z.B. Super-Nova-Explosionen (da große Energien mögliche Antiteilchenentstehung), Sonnenflecken, schwarze Löcher, … eorien 07.07.2003 Michael Vennemann

Motivation für AMS 01 Vorteil: im Weltraum Keine störende Atmosphäre 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) Müsste in Anti-Stern erzeugt sein 07.07.2003 Michael Vennemann

Motivation für AMS 01 Messung des Anteils von Antimaterienukliden in deutlich höherer Genauigkeit Einsatz als Gammastrahlenteleskop Annihilation Erforschung von weiteren Gammastrahlenquellen 07.07.2003 Michael Vennemann

Motivation für AMS 01 Vorbereitung auf AMS 02: Suche nach dunkler Materie Vorbereitung auf AMS 02: Untergrundstudien Bei Start/Landung Beschleunigungen bis 9g,Temperaturschwankungen zw. -180° und 50 °C etc. Messverfahren unter realistischen Bedingungen testen 07.07.2003 Michael Vennemann

AMS 01 07.07.2003 Michael Vennemann

AMS 01 07.07.2003 Michael Vennemann

Aufbau von AMS 01 Nd-Fe-B Permanentmagnet: 2,5 t Bmax=0,14T Dipolares Feld 07.07.2003 Michael Vennemann

Aufbau von AMS 01 Silizium-Spur-Detektor: Messgenauigkeit: 10 μm Ladungsvorzeichen Energieverlust (dE/dx) Steifigkeit (rigidity) (Maß für Impuls) 07.07.2003 Michael Vennemann

Aufbau von AMS 01 ToF-Szintillatoren: Determinierung der Geschwindigkeit und Richtung der einfallenden Teilchen Auflösung: besser als 100 ps 07.07.2003 Michael Vennemann

Aufbau von AMS 01 Antikoinzidenz-Szintillatoren (ACC): Elimination seitlich eindringender Teilchen Umgibt Silizium-Spur-Detektor zylindrisch 07.07.2003 Michael Vennemann

AMS 01 07.07.2003 Michael Vennemann

Aufbau von AMS 01 Aerogel Schwellen Cerenkov Zähler (ATC): Ziel: Trennung von Elektronen und Antiprotonen (bis zu Impuls von 4 GeV/c) 07.07.2003 Michael Vennemann

Aufbau von AMS 01 Low Energy Particle Shield: Unterdrückung des Untergrundes bis E=5MeV 07.07.2003 Michael Vennemann

AMS 01 07.07.2003 Michael Vennemann

Ergebnisse von AMS 01: 90 Stunden Datenaufzeichnung Unterschiedliche Einstellungen und Höhen (h=320-390 km) Alle Längengrade, Breitengrade ±51,7° Identifiziert: e±, p, D, He, schwere Kerne Kein Kandidat mit Z=-2 AntiHe/He < 1,1*10-6 07.07.2003 Michael Vennemann

Ergebnisse von AMS 01: Unerwartet hohe Positronendichte in der Nähe des Äquators Protonen und Elektronen halten sich in einem bis dahin unbekannten Gürtel 400 km über Äquator auf 07.07.2003 Michael Vennemann

Ergebnisse von AMS 01 07.07.2003 Michael Vennemann

Aufgaben für AMS 02 Messung von hochenergetischen Positronen und Elektronen sowie niederenergetischen Antiprotonen Bestimmung von Teilchen bis Z=25 (AMS 01: Z=2) Suche nach Antikohlenstoff- und Antiheliumkernen in Entfernung von 150 Mpc durch Steigerung der Empfindlichkeit 07.07.2003 Michael Vennemann

Hauptaufgabenfelder der RWTH Aachen Detektorentwicklung Bau von Subdetektoren Physikalische Analyse der Daten 07.07.2003 Michael Vennemann

AMS 02 auf der ISS 07.07.2003 Michael Vennemann

AMS 02 07.07.2003 Michael Vennemann

AMS 02 Supraleitender Magnet: Lebensdauer: 3 Jahre ohne Nachfüllen Dipolares magn. Feld bei 0,87 T Gewicht: 3t 07.07.2003 Michael Vennemann

AMS 02 SRD – Syncroton Radiation Detector Ziel: Nachweis von TeV Elektronen und PeV Protonen Ladungsvorzeichen-bestimmung 07.07.2003 Michael Vennemann

AMS 02 TRD – Transition Radiation detector: Misst Geschwindigkeit Messbereich bis 300 GeV für Protonen Elektron/Hadron Trennung besser 10-3 07.07.2003 Michael Vennemann

AMS 02 RICH: Ring Imaging Cherenkov Detector Ziel: Ladungsbestimmung bis Z=25 Geschwindigkeits-bestimmung 07.07.2003 Michael Vennemann

Zeitplanung Ursprüngliche Planung: Inbetriebnahme 2005 für 3-5 Jahre auf der ISS Seit Challenger-Unglück muss Zeitplan vermutlich revidiert werden. 07.07.2003 Michael Vennemann