Seminar zur Astro- und Teilchenphysik im WS 2001/02 - Das AMS-Experiment
Suche nach kosmischer
Antimaterie
- Das AMS Experiment -
Stefan Wölfel
-
Dezember 2001
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)
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Entstehung des Universums
Zeitliche Abfolge:
10-43 s
Planckzeit, unsere physikalischen Gesetze gelten.
Alle Fermionen sind zunächst gleichwertig und können durch die
hypothetische X- und Y-Bosonen (M 1014 GeV/c2) ineinander
übergehen. Nach der GUT-Theorie bilden sich in dieser “Ursuppe”
Quarks und Antiquarks
10-35 s
Raum wächst an (Inflation), T=1027 K (kT  1023 eV) Bildung von
Materie und Antimaterie und Auslöschung in Photonen, aber ein
winziger Materieüberschuss (heute: NB/N  10-9) bleibt übrig
10-10 s
und
Bildung von Protonen und Neutronen ab T=1015 K (kT  100 GeV)
schließlich Kernfusion zu Helium
einige Min. Endverteilung: 75% Protonen, 24% Heliumkerne, 1% leichte
Elemente
(kT  100 keV)
300000 a
Universum ist auf 3000 K abgekühlt und Atomkerne können
Elektronen einfangen
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Materie/Antimaterie - Verhältnis
=1
Im Universum bilden sich
voneinander getrennte Materieund Antimateriecluster.
>1
Für ein unsymmetrisches Universum
müssen drei Symmetrien verletzt sein:
- Baryonenzahlerhaltung
- CP-Verletzung
- Baryonenentstehung ausserhalb des
thermischenGGW
neuere Untersuchungen:
- Messungen an K0- und B0- Mesonen
zeigt eine CP-Verletzung in der
schwachen WW.
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Die CP-Verletzung der schwachen WW
Eigentlich: Die schwache WW ist weder symmetrisch bzgl.
Raumspiegelung P noch bzgl. der Ladungskonjugation C, aber
gegenüber der Hintereinanderanwendung beider Operatoren CP.
ABER:
K0-Zerfall:
K0

-+e++e
K0-Zerfall: K0  ++e-+e
Der Zustand |K0L> = 1/ 2 (|K0> + |K0>) ist
Eigenzustand zu CP und sollte zu gleichen
Anteilen in beide Kanälen zerfallen.
Tatsächlich beobachtet man aber eine Asymmetrie mit
bevorzugtem Zerfall in positive Leptonen (Anzahl = N+).
=
N+ - N-
-3

3,3*10
N+ + N-
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Die CP-Verletzung der schwachen WW
=3,3*10-3
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CP Verletzung von X-Bosonen
Annahme: Die Amplituden der Kopplungskonstanten von starker
und
elektroschwacher WW nehmen bei genügend hoher
Energie den gleichen Wert an.
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GUT - Grand Unified Theory
CP Verletzung bei X- und Y-Bosonen
Mögliche Zerfälle:
e
W-
eX
dR
g
dB
dG
X  qq
X  qq
X  ql
X  ql
(X  qq) = (1 + q)q
(X  qq) = (1 - q)q
LH
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.
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Antimaterienachweis
Antiprotonen können relativ leicht durch Reaktionen kosmischer
Protonen mit der interstellaren Materie erzeugt werden.
z.B. pp  pp + pp (mit Ep  6* mpc2)
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
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Weitere Forschungsgebiete
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.?
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Erforschung der kosmischen Strahlung
Erste Messungen
auf der
Erdoberfläche
Robert Millikan (1868 - 1953) und sein Team
Mount Whitney (4350 m) in Kalifornien
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Ballonexperimente
Randbedingungen:
- Flughöhe ca. 40 km
- Atmosphäre 3-5 g/cm2
- kurze Flugzeiten (einige Tage)
Rigidity = Steifigkeit = |Impuls|/Ladung
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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.
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Das AMS 1 Experiment
Missionsdaten:
Flugzeit: 2-12 Juni 1998
Messzeit ca. 135 Stunden
Flughöhe: 320-370 km
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Komponenten des Detektors
Allgemeine Daten
- Masse ca. 3 Tonnen
- ca 70000 Kanäle
- Leistung ca. 1 kW
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Komponenten des Detektors
Nd-Fe-B
Permantenmagent:
2,5 Tonnen
Bmax = 0,14 T
Dipolfeld:
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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 m2
-Messgenauigkeit:
10-30 µm
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Komponenten des Detektors
Time of Flight (ToF)System
Geschwindigkeitsmessung
(Auflösung bis 100 ps)
-Stellt den Trigger
-Bestimmung der
Flugrichtung
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Komponenten des Detektors
Antikoinzidenzzähler
- 16 Module
- Elimination seitlich
eindringender Teilchen
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Komponenten des Detektors
Schwellencherenkov
Zähler
- Trennung von
Elektronen und
Antiprotonen bis zu p=4
GeV/c
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Komponenten des Detektors
Low Energie Particle
Shield
- 10 mm Kohlenstoffverbundmaterial
- Unterdrückung des
Untergrunds bis E=5MeV
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Funktionsweise des Detektors
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Auflösungsvermögen für Antihelium
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Ergebnisse
1) Spektrum der kosmischen Teilchenstrahlung
- 108 Teilchen wurden detektiert
- genauere Spektren, als sie von Ballonexperimenten bisher geliefert
wurden
Protonenspektrum für drei verschiedene geographische
Breiten
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Ergebnisse
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
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Ergebnisse
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Ergebnisse
3) kein Antihelium
nachgewiesen
Im gesamten untersuchten
Energiebereich konnte kein
einziges Antihelium Ereignis
nachgeweisen werden.
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Ergebnisse
4) Noch rätselhafte Ergebnisse
zuviele Positronen
zuviel He3
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Das AMS-2 Experiment
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Das AMS-2 Experiment
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Das AMS-2 Experiment
Missionsdaten:
Installation auf der ISS
Betriebsaufnahme bis Ende 2003
Messdauer ca. 3 bis 5 Jahre
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Unterschiede zu AMS-1
Allgemeine Daten:
Gewicht: 6 t
Leistung: 2 kW
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Unterschiede zu AMS-1
Supraleitender Magnet
- Bmax = 1T
- Strom = 450 A
- Betriebstemp. = 1,8 K
- 2600 l superfluides He
- Masse ca. 3 Tonnen
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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
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Unterschiede zu AMS-1
Transition radiation
detector
-Elektron/Hadron Trennung
(besser 10-3)
-Messbereich bis 300 GeV (für
Protonen)
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TRD - Detektor
Dieser Detektor wurde unter
anderem von der RWTH
Aachen entwickelt und gebaut
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Unterschiede zu AMS-1
Ring imaging Cherenkov
detector
-Ladungsbestimmung bis
Z=25
-Geschwindigkeitsbestimmung
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Unterschiede zu AMS-1
EM-Kalorimeter
-Ausweitung der
Elektron/Hadron Trennung
bis ca. 1 TeV
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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/cm2
•
Maximales Gewicht 13500 lbs (Kosten: 10000 $/lbs)
•
Maximaler Leistungsaufnahme: 2kW,1 Stromkabel mit 120 V
•
Maximale Datenrate: 1Mbyte/s (optischer Link zur ISS)
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Was erhofft man sich?
- Bessere Statistik durch längere Messdauer
- Größere Energiefenster
- Informationen über baryonische dunkle
Materie
- ”Stellen der galaktischen Uhr” durch
Bestimmung der Be10 und Al26 Konzentration
- empfindlicherer He/He oder C/C Nachweis
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Was erhofft man sich?
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Literatur
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

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