Das AMS-Experiment (Alpha Magnetic Spectrometer) Auf der Suche nach kosmischer Antimaterie und dunkler Materie Alexander Ströer

Das AMS-Experiment *

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

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)

Grundlagen: kosmische Strahlung Primäre kosmische Strahlung - Fakten: Stammt direkt aus dem Kosmos Elementarteilchenstrom hoher Energie >80% aus Protonen mit E=109-1013 eV 7% aus Alpha-Teilchen 1% Kerne schwerer Elemente (Z>20) Ab h≥50km nur noch primäre kosmische Strahlung

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 ...)

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 *

Grundlagen: Antimaterie Dirac E=± mc2 (Sonderfall p=0, E2=m2c4+p2c2 SRT) Positron postuliert *

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

Grundlagen: Antimaterie *

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

Die Suche nach Antimaterie: frühere Experimente 1995: Low Energy Antiproton Ring (LEAR) CERN: 9 Antiatome erzeugt 1997: Fermilab: Erzeugung von Antiwasserstoff (im relativistischen Zustand)

Die Suche nach Antimaterie: frühere Experimente Heute: Antiproton Decelerator CERN mit 3 Experimenten: ASACUSA, ATHENA, ATRAP 16 Sept 2002: ATHENA produziert Tausende von Antiatomen

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)

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/cm2 Atmosphäre über sich

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 10- 4 bis 10- 5

Die Suche nach Antimaterie: Experimente - kosmische Strahlung

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 *

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

Motivation für das AMS-Experiment Verhältniss: Überschuss Materie Antimaterie β= (NB-NAB)/Nγ ≈ 6x10-10 Nγ=412/cm3, NB»NAB

Motivation für das AMS-Experiment Modelle Baryogenese „Heavy particle decay“ in GUT mit XBosonzerfall in Quark/Antiquark/Leptoquark „Electroweak“ – Phasenübergang EW-broken/EW-unbroken→Problem Higgsmasse „Baryo-thru-lepto-genesis“ (Majorana-Neutrino / Leptonasymmetrie / elektroschwach) „Black hole evaporation“ (Auflösung von Schwarzen Löchern niedriger Masse) „Spontane Baryogenese“ „SuSy condensate baryogenese“

Motivation für das AMS-Experiment Modelle Antibaryogenese Primordial black holes

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=10-10 ; Anti-C/Anti-p=10-56 Beweis galaktische Antimaterie (Bei Antikohlenstoff Beweis für Antimateriesterne) *

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

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

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: < 1x10-14 g/s/cm2 Maximales Gewicht 13500 lbs (Kosten: 10000 $/lbs) Maximale Leistungsaufnahme: 2kW,1 Stromkabel mit 120 V Maximale Datenrate: 1Mbyte/s (optischer Link zur ISS) +

AMS-01 Hauptziel: Verifizierung der vollen Detektor-performance Hintergrundstudien (gegenläufige, fehlidentifizierte Nuklei und durch Albedos)

AMS-01: Permanentmagnet Nd-Fe-B Permanentmagnet: 2,5 Tonnen Bmax = 0,14 T Dipolares Feld

AMS-01/02: Silicon Tracker 6 (8) horizontale Lagen von doppel- seitigen Silikon-Mikrostreifen-Detektoren 4 im inneren des Magnethohlraumes, 2 darüber / darunter

AMS-01/02: Silicon Tracker

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)

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

AMS-01/02: Szintillatorsystem Antikoinzidenz Szintillatoren (ACC) Paddle: 800 mm lang, 8 mm dick. Ausgelesen von jeweils einer Photomultiplierröhre Ziel: Elimination seitlich eindringender Teilchen

AMS-01: Aerogel Treshold Cerenkov Counter (ATC) Besteht aus 2 Lagen von 10x10 cm2 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 104 Brechungsindex (n = 1.065) der Aerogelblöcke erlaubt eine Antiprotonenidentifikation bis zu 4 GeV Ziel: Trennung von Elektronen und Antiprotonen

AMS-01: Aerogel Treshold Cerenkov Counter (ATC)

AMS-01/02 Low Energie Particle Shield 10 mm Kohlenstoffverbundmaterial Ziel: Unterdrückung des Untergrunds bis E=5MeV

AMS-01

AMS-01 Das AMS-Experiment bei  letzten Vorbereitungen am  Kennedy Space Center (KSC), danach erfolgt der Einbau in die Ladebucht des Space Shuttles.

AMS-01

AMS-01: Ergebnisse 90 Stunden Datenaufzeichnung Unterschiedliche Einstellungen und Höhen (h=320-390 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

AMS-01

Ergebnisse: AMS-01 Suche nach Antihelium

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 × 10-6 Kein Kandidat für schwere Antikerne Li - N Messgrenze 5 × 10-5

Ergebnisse AMS-01 Teilchengürtel im Erdmagnet-feld entdeckt

Ergebnisse AMS-01

AMS-01 Ergebnisse Zuviele Positronen Zuviel 3He +

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

AMS-02: RICH Ring imaging Cherenkov detector Ziel: Ladungsbestimmung bis Z=25 Geschwindigkeitsbestimmung

AMS-02: RICH@COMPASS

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

AMS-02: TRD Transition radiation detector Messbereich bis 300 GeV (für Protonen) Ziel: Elektron/Hadron Trennung (besser 10-3)

AMS-02: Ecal 3D Kalorimeter EM-calorimeter Ziel: Ausweitung der Elektron/Hadron Trennung bis ca. 1 TeV

Erwartungen AMS-02

Erwartungen AMS-02

Erwartungen AMS-02

PAMELA

Quellenverzeichnis AMS CERN ams.cern.ch A.D. Dolgov. Antimatter in the universe. arXiv:astro-ph/0207441 v1 20 Jul 2002 Martin Pohlmar: The AMS Experiment: Particle Astrophysics in Space http://committees.web.cern.ch/Committees/ECFA/MPohlmar02.pdf Trento Summary: Antimatter & Darkmatter Search status http://accms04.physik.rwth-aachen.de/~ams/ ams02/talks/trento/trento.pdf Tag der Raumfahrt: Das AMS-Experiment http://accms04.physik.rwth-aachen.de/~ams/news/SpaceDay20010921/ ams_faltblatt_2001_09_21.pdf Jay Orear. Physik. München 1982 Gerthsen. Physik. Freising 1995