Seminar zur Astro- und Teilchenphysik im WS 2001/02 - Das AMS-Experiment Suche nach kosmischer Antimaterie - Das AMS Experiment - Stefan Wölfel - Dezember.

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1 Seminar zur Astro- und Teilchenphysik im WS 2001/02 - Das AMS-Experiment Suche nach kosmischer Antimaterie - Das AMS Experiment - Stefan Wölfel - Dezember 2001

2 Seminar zur Astro- und Teilchenphysik im WS 2001/02 - Das AMS-Experiment Gliederung Materie- /Antimaterieverteilung im Weltraum Ballonexperimente zur Erforschung der kosmischen Teilchenstrahlung Prinzip des AMS-Experiments AMS 1 (Durchführung und Ergebnisse) AMS 2 (Erwartungen an das Experiment)

3 Seminar zur Astro- und Teilchenphysik im WS 2001/02 - Das AMS-Experiment Entstehung des Universums Zeitliche Abfolge: 10 -43 sPlanckzeit, unsere physikalischen Gesetze gelten. Alle Fermionen sind zunächst gleichwertig und können durch die hypothetische X- und Y-Bosonen (M 10 14 GeV/c 2 ) ineinander übergehen. Nach der GUT-Theorie bilden sich in dieser Ursuppe Quarks und Antiquarks 10 -35 sRaum wächst an (Inflation), T=10 27 K (kT 10 23 eV) Bildung von Materie und Antimaterie und Auslöschung in Photonen, aber ein winziger Materieüberschuss (heute: N B /N 10 -9 ) bleibt übrig 10 -10 sBildung von Protonen und Neutronen ab T=10 15 K (kT 100 GeV) und schließlich Kernfusion zu Helium einige Min.Endverteilung: 75% Protonen, 24% Heliumkerne, 1% leichte Elemente (kT 100 keV) 300000 aUniversum ist auf 3000 K abgekühlt und Atomkerne können Elektronen einfangen

4 Seminar zur Astro- und Teilchenphysik im WS 2001/02 - Das AMS-Experiment = 1 Im Universum bilden sich voneinander getrennte Materie- und Antimateriecluster. > 1 Für ein unsymmetrisches Universum müssen drei Symmetrien verletzt sein: - Baryonenzahlerhaltung - CP-Verletzung - Baryonenentstehung ausserhalb des thermischenGGW neuere Untersuchungen: - Messungen an K 0 - und B 0 - Mesonen zeigt eine CP- Verletzung in der schwachen WW. Materie/Antimaterie - Verhältnis

5 Seminar zur Astro- und Teilchenphysik im WS 2001/02 - Das AMS-Experiment Die CP-Verletzung der schwachen WW ABER: K 0 -Zerfall: K 0 - +e + + e K 0 -Zerfall: K 0 + +e - + e Tatsächlich beobachtet man aber eine Asymmetrie mit bevorzugtem Zerfall in positive Leptonen (Anzahl = N + ). Eigentlich: Die schwache WW ist weder symmetrisch bzgl. Raumspiegelung P noch bzgl. der Ladungskonjugation C, aber gegenüber der Hintereinanderanwendung beider Operatoren CP. = 3,3*10 -3 N + - N - N + + N - Der Zustand |K 0 L > = 1/ 2 (|K 0 > + |K 0 >) ist Eigenzustand zu CP und sollte zu gleichen Anteilen in beide Kanälen zerfallen.

6 Seminar zur Astro- und Teilchenphysik im WS 2001/02 - Das AMS-Experiment Die CP-Verletzung der schwachen WW =3,3*10 -3

7 Seminar zur Astro- und Teilchenphysik im WS 2001/02 - Das AMS-Experiment CP Verletzung von X-Bosonen Annahme: Die Amplituden der Kopplungskonstanten von starker und elektroschwacher WW nehmen bei genügend hoher Energie den gleichen Wert an.

8 Seminar zur Astro- und Teilchenphysik im WS 2001/02 - Das AMS-Experiment GUT - Grand Unified Theory CP Verletzung bei X- und Y-Bosonen e e - d R d B d G LH W-W- g X Läge eine CP-Verletzung, bei den Zerfällen der X- und Y- Bosonen vor, ( q 0) und würden diese Zerfälle auch noch in einem thermischen Ungleichgewicht ablaufen dann könnte damit der Materieüberschuss im Universum erklärt werden. Mögliche Zerfälle: X qq X ql (X qq) = (1 + q ) q (X qq) = (1 - q ) q

9 Seminar zur Astro- und Teilchenphysik im WS 2001/02 - Das AMS-Experiment Antimaterienachweis Antiprotonen können relativ leicht durch Reaktionen kosmischer Protonen mit der interstellaren Materie erzeugt werden. z.B. pp pp + pp (mit E p 6* m p c 2 ) Die Wahrscheinlichkeit für die Bildung von Antihelium bzw. Antikohlenstoff durch Reaktionen kosmischer Teilchen mit dem interstellaren Medium ist aber äußerst gering: (Bsp: p + p He + X) He/p 10 -10 C/p 10 -56 Wenn Antimateriekerne mit Z 2 gefunden werden, stammen sie ziemlich sicher aus Antisternen oder abkühlenden Antiplasmen.

10 Seminar zur Astro- und Teilchenphysik im WS 2001/02 - Das AMS-Experiment Kosmische Teilchenstrahlung Datenerfassung mit besserer Energieauflösung und Statistik Untersuchte Teilchen: p,p,e -,e +,He,leichte Elemente Dunkle Materie Was ist sie? Nachweis von WIMPs, Neutralinos, ect.? Weitere Forschungsgebiete

11 Seminar zur Astro- und Teilchenphysik im WS 2001/02 - Das AMS-Experiment Erforschung der kosmischen Strahlung Robert Millikan (1868 - 1953) und sein Team Mount Whitney (4350 m) in Kalifornien Erste Messungen auf der Erdoberfläche

12 Seminar zur Astro- und Teilchenphysik im WS 2001/02 - Das AMS-Experiment Ballonexperimente Randbedingungen: - Flughöhe ca. 40 km - Atmosphäre 3-5 g/cm 2 - kurze Flugzeiten (einige Tage) Rigidity = Steifigkeit = |Impuls|/Ladung

13 Seminar zur Astro- und Teilchenphysik im WS 2001/02 - Das AMS-Experiment Was ist das AMS - Experiment? Alpha Magnetic Spectrometer Empfindlicher Teilchendetektor Einsatz im terrestrischen Weltall Wer betreibt das Experiment? AMS wird von einer internationalen Kollaboration aus 41 Forschungsinstituten aus 13 Ländern in enger Zusammenarbeit mit der NASA gebaut. In Deutschland ist das RWTH Aachen federführend an dem Experiment beteiligt.

14 Seminar zur Astro- und Teilchenphysik im WS 2001/02 - Das AMS-Experiment Das AMS 1 Experiment Missionsdaten: Flugzeit: 2-12 Juni 1998 Messzeit ca. 135 Stunden Flughöhe: 320-370 km

15 Seminar zur Astro- und Teilchenphysik im WS 2001/02 - Das AMS-Experiment

16 Komponenten des Detektors Allgemeine Daten - Masse ca. 3 Tonnen - ca 70000 Kanäle - Leistung ca. 1 kW

17 Seminar zur Astro- und Teilchenphysik im WS 2001/02 - Das AMS-Experiment Komponenten des Detektors Nd-Fe-B Permantenmagent: 2,5 Tonnen B max = 0,14 T Dipolfeld:

18 Seminar zur Astro- und Teilchenphysik im WS 2001/02 - Das AMS-Experiment Komponenten des Detektors Silizium Tracker Aufgaben: Ladungsvorzeichen Energieverlust (dE/dx) Steifigkeit (p/Z) Komponenten: -6 Lagen n-Si-Wafer -Auflösung p/p=7% -Fläche : 6 m 2 -Messgenauigkeit: 10-30 µm

19 Seminar zur Astro- und Teilchenphysik im WS 2001/02 - Das AMS-Experiment Komponenten des Detektors Time of Flight (ToF)- System - Geschwindigkeitsmessung (Auflösung bis 100 ps) -Stellt den Trigger -Bestimmung der Flugrichtung

20 Seminar zur Astro- und Teilchenphysik im WS 2001/02 - Das AMS-Experiment Komponenten des Detektors Antikoinzidenzzähler - 16 Module - Elimination seitlich eindringender Teilchen

21 Seminar zur Astro- und Teilchenphysik im WS 2001/02 - Das AMS-Experiment Komponenten des Detektors Schwellencherenkov Zähler - Trennung von Elektronen und Antiprotonen bis zu p=4 GeV/c

22 Seminar zur Astro- und Teilchenphysik im WS 2001/02 - Das AMS-Experiment Komponenten des Detektors Low Energie Particle Shield - 10 mm Kohlenstoff- verbundmaterial - Unterdrückung des Untergrunds bis E=5MeV

23 Seminar zur Astro- und Teilchenphysik im WS 2001/02 - Das AMS-Experiment Funktionsweise des Detektors

24 Seminar zur Astro- und Teilchenphysik im WS 2001/02 - Das AMS-Experiment Auflösungsvermögen für Antihelium

25 Seminar zur Astro- und Teilchenphysik im WS 2001/02 - Das AMS-Experiment Ergebnisse 1) Spektrum der kosmischen Teilchenstrahlung - 10 8 Teilchen wurden detektiert - genauere Spektren, als sie von Ballonexperimenten bisher geliefert wurden Protonenspektrum für drei verschiedene geographische Breiten

26 Seminar zur Astro- und Teilchenphysik im WS 2001/02 - Das AMS-Experiment 2) Teilchengürtel im Erdmagnetfeld entdeckt Unterhalb von ca. 6 GeV ist die Anzahl der Teilchen die sich von der Erde wegbewegen und sich zu ihr hinbewegen etwa gleich. Hinweis auf einen Teilchengürtel Ergebnisse

27 Seminar zur Astro- und Teilchenphysik im WS 2001/02 - Das AMS-Experiment Ergebnisse

28 Seminar zur Astro- und Teilchenphysik im WS 2001/02 - Das AMS-Experiment 3) kein Antihelium nachgewiesen Im gesamten untersuchten Energiebereich konnte kein einziges Antihelium Ereignis nachgeweisen werden. Ergebnisse

29 Seminar zur Astro- und Teilchenphysik im WS 2001/02 - Das AMS-Experiment zuviele Positronenzuviel He 3 4) Noch rätselhafte Ergebnisse Ergebnisse

30 Seminar zur Astro- und Teilchenphysik im WS 2001/02 - Das AMS-Experiment Das AMS-2 Experiment

31 Seminar zur Astro- und Teilchenphysik im WS 2001/02 - Das AMS-Experiment Das AMS-2 Experiment

32 Seminar zur Astro- und Teilchenphysik im WS 2001/02 - Das AMS-Experiment Missionsdaten: Installation auf der ISS Betriebsaufnahme bis Ende 2003 Messdauer ca. 3 bis 5 Jahre Das AMS-2 Experiment

33 Seminar zur Astro- und Teilchenphysik im WS 2001/02 - Das AMS-Experiment Unterschiede zu AMS-1 Allgemeine Daten: Gewicht: 6 t Leistung: 2 kW

34 Seminar zur Astro- und Teilchenphysik im WS 2001/02 - Das AMS-Experiment Unterschiede zu AMS-1 Supraleitender Magnet - B max = 1T - Strom = 450 A - Betriebstemp. = 1,8 K - 2600 l superfluides He - Masse ca. 3 Tonnen

35 Seminar zur Astro- und Teilchenphysik im WS 2001/02 - Das AMS-Experiment Unterschiede zu AMS-1 Synchrotron radiation detector -Größe: 2 mal 3 Meter -Nachweis von TeV Elektronen und PeV Protonen aufgrund ihrer Synchrotronstrahlung im Erd-Magnetfeld

36 Seminar zur Astro- und Teilchenphysik im WS 2001/02 - Das AMS-Experiment Unterschiede zu AMS-1 Transition radiation detector -Elektron/Hadron Trennung (besser 10 -3 ) -Messbereich bis 300 GeV (für Protonen)

37 Seminar zur Astro- und Teilchenphysik im WS 2001/02 - Das AMS-Experiment TRD - Detektor Dieser Detektor wurde unter anderem von der RWTH Aachen entwickelt und gebaut

38 Seminar zur Astro- und Teilchenphysik im WS 2001/02 - Das AMS-Experiment Unterschiede zu AMS-1 Ring imaging Cherenkov detector -Ladungsbestimmung bis Z=25 -Geschwindigkeitsbestim- mung

39 Seminar zur Astro- und Teilchenphysik im WS 2001/02 - Das AMS-Experiment Unterschiede zu AMS-1 EM-Kalorimeter -Ausweitung der Elektron/Hadron Trennung bis ca. 1 TeV

40 Seminar zur Astro- und Teilchenphysik im WS 2001/02 - Das AMS-Experiment Anforderungen an AMS Bei Start/Landung treten Beschleunigungen bis zu 9g auf Das Experiment wird im Vakuum betrieben Temperaturschwankungen von –180 - +50 Grad Celsius Maximale Ausgasrate auf der ISS: < 1 10 -14 g/s/cm 2 Maximales Gewicht 13500 lbs (Kosten: 10000 $/lbs) Maximaler Leistungsaufnahme: 2kW,1 Stromkabel mit 120 V Maximale Datenrate: 1Mbyte/s (optischer Link zur ISS)

41 Seminar zur Astro- und Teilchenphysik im WS 2001/02 - Das AMS-Experiment -Bessere Statistik durch längere Messdauer -Größere Energiefenster -Informationen über baryonische dunkle Materie -Stellen der galaktischen Uhr durch Bestimmung der Be 10 und Al 26 Konzentration -empfindlicherer He/He oder C/C Nachweis Was erhofft man sich?

42 Seminar zur Astro- und Teilchenphysik im WS 2001/02 - Das AMS-Experiment Was erhofft man sich?

43 Seminar zur Astro- und Teilchenphysik im WS 2001/02 - Das AMS-Experiment CP-Verletzung und Urknalltheorie: Gordon Kane, Modern Elementary Partyicle Physics (S. 271 -284) Povh Rith, Teilchen und Kerne (S. 331 - 337, 203 - 206) Bigi and Sand, CP-Violation (S. 349 - 352) Byron P. Roe, Partyicle Physiks at the New Millennium (S. 281 -287) Perkins, Introduction to Hight Energie Physics (S. 340 - 344) Frank Wilczek, The Cosmic Asymmetry between Matter and Antimatter div. Papers AMS: J.P. Vialle, The AMS Experiment: First results and physics prospect Buenerd, M - AMS, a particle spectrometer in space Barrau, A - AMS : A particle opservatory in space Internet: AMS 1: http://ams.cern.ch/AMS/ams01_homepage.html AMS 2: http://hpl3tri.cern.ch/AMS/ams_homepage.html div. Papers Literatur