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

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

Suche nach kosmischerAntimaterie

- Das AMS Experiment -

Stefan Wölfel - Dezember 2001


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)


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 Bildung von Protonen und Neutronen ab T=1015 K (kT 100 GeV) und 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


= 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 K0- und B0- Mesonen zeigt eine CP-Verletzung in der schwachen WW.

Materie/Antimaterie - Verhältnis


Die CP-Verletzung der schwachen WW

ABER:

K0-Zerfall: K0 -+e++e

K0-Zerfall: K0 ++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*10-3N+ - N-

N+ + N-

Der Zustand |K0L> = 1/ 2 (|K0> + |

K0>) ist Eigenzustand zu CP und sollte zu gleichen Anteilen in beide Kanälen zerfallen.


Die CP-Verletzung der schwachen WW

=3,3*10-3


CP Verletzung von X-BosonenAnnahme: Die Amplituden der Kopplungskonstanten von starker und elektroschwacher WW nehmen bei genügend hoher Energie den gleichen Wert an.


GUT - Grand Unified TheoryCP Verletzung bei X- und Y-Bosonen

e

e-

dR

dB

dGLH

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 qq

X ql X ql

(X qq) = (1 + q)q

(X qq) = (1 - q)q


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 Z2 gefunden werden, stammen sie ziemlich sicher aus Antisternen oder abkühlenden Antiplasmen.


Kosmische Teilchenstrahlung

Datenerfassung mit besserer Energieauflösung und StatistikUntersuchte Teilchen:p,p,e-,e+,He,leichte Elemente

Dunkle Materie

Was ist sie?

Nachweis von WIMPs, Neutralinos, ect.?

Weitere Forschungsgebiete


Erforschung der kosmischen Strahlung

Robert Millikan (1868 - 1953) und sein Team

Mount Whitney (4350 m) in Kalifornien

Erste Messungen auf der Erdoberfläche


Ballonexperimente

Randbedingungen:

- Flughöhe ca. 40 km

- Atmosphäre 3-5 g/cm2

- kurze Flugzeiten (einige Tage)

Rigidity = Steifigkeit = |Impuls|/Ladung


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.


Das AMS 1 Experiment

Missionsdaten:

Flugzeit: 2-12 Juni 1998

Messzeit ca. 135 Stunden

Flughöhe: 320-370 km



Komponenten des Detektors

Allgemeine Daten

- Masse ca. 3 Tonnen- ca 70000 Kanäle- Leistung ca. 1 kW



Nd-Fe-B Permantenmagent:

2,5 Tonnen

Bmax = 0,14 T

Dipolfeld:



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



Time of Flight (ToF)-System

-Geschwindigkeitsmessung (Auflösung bis 100 ps)

-Stellt den Trigger

-Bestimmung der Flugrichtung



Antikoinzidenzzähler

- 16 Module

- Elimination seitlich eindringender Teilchen



Schwellencherenkov Zähler

- Trennung von Elektronen und Antiprotonen bis zu p=4 GeV/c



Low Energie Particle Shield

- 10 mm Kohlenstoff-verbundmaterial

- Unterdrückung des Untergrunds bis E=5MeV


Funktionsweise des Detektors


Auflösungsvermögen für Antihelium


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


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


Ergebnisse


3) kein Antihelium nachgewiesenIm gesamten untersuchten Energiebereich konnte kein einziges Antihelium Ereignis nachgeweisen werden.

Ergebnisse


zuviele Positronen

zuviel He3

4) Noch rätselhafte Ergebnisse

Ergebnisse


Das AMS-2 Experiment




Missionsdaten:

Installation auf der ISS

Betriebsaufnahme bis Ende 2003

Messdauer ca. 3 bis 5 Jahre



Unterschiede zu AMS-1

Allgemeine Daten:

Gewicht: 6 t

Leistung: 2 kW



Supraleitender Magnet

- Bmax = 1T

- Strom = 450 A

- Betriebstemp. = 1,8 K

- 2600 l superfluides He

- Masse ca. 3 Tonnen



Synchrotron radiation detector

- Größe: 2 mal 3 Meter

- Nachweis von TeV Elektronen und PeV Protonen aufgrund

ihrer Synchrotronstrahlung im

Erd-Magnetfeld



Transition radiation detector

-Elektron/Hadron Trennung (besser 10-3)

-Messbereich bis 300 GeV (für Protonen)


TRD - Detektor

Dieser Detektor wurde unter anderem von der RWTH Aachen entwickelt und gebaut



Ring imaging Cherenkov detector

-Ladungsbestimmung bis Z=25

-Geschwindigkeitsbestim-mung



EM-Kalorimeter

-Ausweitung der Elektron/Hadron Trennung bis ca. 1 TeV


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: < 110-14 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)


- 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

Was erhofft man sich?


Was erhofft man sich?


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

Documents

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