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
t
10-10s
Nach gegenwärtigem
Verständnis entstand Materie aus
dem Vakuum während der
Frühphase des Urknalls
10-34s
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.
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 Baryonenzahlerhaltung 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 schwachwechselwirkende Baryonen
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
1E-3
1E-4
1E-4
current limit
Antinucleus/Nucleus
Antihelium/Helium
1E-5
1E-6
1E-7
Symmetric Universe
1E-8
Z>9
Z>2
current limit
1E-5
1E-6
1E-7
Z>2
1E-8
AMS
Z>2
AMS
1E-9
1E-10
0,1
1E-9
1
10
Kinetic Energy [GeV/u]
100
1E-10
0,1
1
10
Kinetic Energy (GeV/u)
100
Ein einzelner Anti-Kohlenstoffkern genügt
Kosmische Anti-Kohlenstoffkerne können nicht vom Urknall stammen
oder in sekundären Reaktionen entstehen
Produktion in Sekundärreaktionen
1
 Sensitivität von AMS ermöglicht
den Nachweis
extragalaktischer Antimaterie
(Antigalaxien etc.)
1E-10
1E-20
Relative Ausbeute
 Als Quelle eines AntiKohlenstoff kommen nur
stellare Objekte aus
Antimaterie in Frage
1E-30
1E-40
1E-50
1E-60
1E-70
1E-80
HAGEDORN
1E-90
1
10
Massenzahl des Antikerns
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
p
B 
Z
Z  dE
dx
p
M

 Mehrfachmessung der Trajektorie
 Untergrund durch:
 Streuung im Detektormaterial
 Falschinterpretation der Flugrichtung
 Zufällige Koinzidenzen
Nachweis der Sensitivität
Anhand vollständiger Simulation mit GEANT
Teilchen/
Element
Ausbeute/
Sensitivität
Bisher

Akzeptanz
[GeV]
~ 1 - 300
e+
~ 108
~ 1.5 103
0.5 - 100
p
5 105
~ 75
0.5 - 100
He/He
10-9
~ 10-5
0.5 - 20
C/C
10-8
~ 10-4
0.5 - 20
Rohdaten
Shuttle-Orientierung in angekoppelter Position (MIR)
2
AMS
1
Erde
1
2
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 BaryonenzahlVerletzung)
 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
5
M  g
M

 p   
 1030 a 1015 GeV -1 
 g

 mp  M
4
Erzeugung der Asymmetrie:
 T>M: Thermisch equilibriertes System nx  n
 TM: X kann nicht nachgebildet werden. Zerfall langsamer als Expansion
 CP-Verletzung im X-Zerfall führt zu Baryonenüberschuß
Baryonenzahl
Massenhäufigkeit im Universum werden relativ zur Grenzdichte angegeben
(mit H = Hubble Konstante, G = Gravitationskonstante):
2
3
H
c 
8G
 110
 29
g
cm 3
Sichtbare Materie (Baryonen in Sternen):
l 
l
c
 0.005
Dunkle Materie:
tot  0.3
Aufteilung sichtbarer Materie in Isotope:
H4 He7 Li  1  0.0810-10
Baryonen-Asymmetrie
 Heute (T = 3K)
n  400 (T / 2.7K)3 cm3
B
nB
 (6  11) 10 11
s
 1 ms nach dem Knall (T  1 GeV)
nN  nN  n
( n N  nN )
n
 102 B  O(108 )
nN
s
 Heutiger Überschuß resultiert aus einer geringen Asymmetrie bei
insgesamt hoher Nukleonenanzahl
Proton-Antiproton Vernichtung
Bei Vernichtung in Ruhe:
Zerfall in 5-6 Pionen
0



  

N N  



  m  ( )

m   e   e ( e )  m ( m )
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
M
29  M
15
-1 
 p  4 5  10 a  10 GeV 
g mp
 g

4
4

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
 
0 0



,


KL
0
KL  e 
0
 
 


e   1  0.00333
KL
0

Das Alpha Magnet Spectrometer auf der Suche nach Antikohlenstoff