Post on 25-Oct-2020
Hauptseminar: „Schlüsselexperimente der Teilchenphysik“
AMSAlpha-Magnet-Spektrometer
Überblick
• AMS allgemein
• AMS-01: Aufgaben und Ergebnisse
• Das Detektorsystem von AMS-02
• Zeittafel
• Aufgaben von AMS-02
AMS: allgemein
Teilchendetektoren zur Untersuchung der kosmischen
Höhenstrahlung.
Erstes Magnetspektrometer im All
Beteiligte: 500 Physiker aus 56 Forschungsinstituten aus
16 Ländern
aus Deutschland:
- 1. physikalisches Forschungsinstitut der RWTH Aachen
- IEKP der Universität Karlsruhe
Zeittafel
- 1995: Vorschlag durch Samuel Ting
- 1998: Erster 10-tägiger Flug des AMS-01- Experimentes
dann: Auswertung der Daten
- Danach: Ausbau des Experiments: AMS-02
Geplant: 3 Jahre Aufenthalt auf der ISS
- 2003: ursprünglicher Starttermin
Verschoben wg. Absturz der Columbia
- 2007: weitere Verschiebung aus Kostengründen
Frühester Starttermin 2009
Probleme beim Start von AMS-02
2 Möglichkeiten:
- zusätzlicher Space-Shuttle- Flug:
Kostenproblem
- Transport mit unbemannter Rakete:
Kosten- und Zeitprobleme
Wird die Mission überhaupt je stattfinden?
• 2010: letzte Space-Shuttle Mission
Alle Kapazitäten vergeben
AMS-01
10-tägiger Flug im Laderaum der Discovery
Aufbau:
- Carbon-Abschirmung
- TOF- System (4 Lagen)
- Silizium-Spurdetektor (6 Lagen)
Magnet(Nd-Fe-B): 0,14 Tesla
Veto Counters
- Cerekov-Detektor
AMS-01: Aufgaben und Ergebnisse
Aufnahme verschiedener Spektren der kosmischen Strahlung
- Suche nach Antihelium:
Gemessen: • Helium:
• Antihelium: 0
61086,26101,1
He
eH
N
N
- Messung des Protonenspektrums:
Energiebereich: 0,1 – 200 GeV
Geomagnetischer „cutoff“
- Spektren von Elektronen und Positronen:
Aufgaben von AMS-02
Untersuchung kosmischer Strahlungsquellen
Sterne und Supernovae
Exotische Quellen: • Quarksterne
• Annihilation Dunkler Materie
• Antimaterie-Galaxien
AMS-02 befasst sich mit den folgenden physikalischen Themen:
Teilchen in direkter Erdumgebung
Alter der kosmischen Strahlung
Astronomie der Gamma-Strahlung
Materie aus Strange-Quarks
Antimaterie- Galaxien
Kalte, dunkle Materie
Teilchen in direkter Erdumgebung
Fortsetzung der Forschung von AMS-01
Betrachtung der Teilchen oberhalb des geomagnetischen Cutoffs
Niederenergetische Teilchen können nicht in die
Atmosphäre eindringen
Erwartete Annihilationsprodukte werden abgeschirmt
Auf Raumfahrtexperimente kann nicht verzichtet werden
AMS-02 setzt diese Forschung fort und präzisiert sie
Das Alter der kosmischen Strahlung
Messung des Alters über radioaktive Kerne
Charakteristische Halbwertszeiten
- viele Kerne mit geringerer Halbwertszeit kurze Reise
- wenige Kerne mit geringerer Halbwertszeit längere Reise
Ähnliche Messungen bei Ballonexperimenten
AMS-02 misst bei höheren Energien
Astronomie der Gammastrahlung
Gamma-Strahlung: hochenergetische Photonen
Gewöhnliche Teleskope: keine Detektion von Gamma-Strahlen
selbst Röntgenbereich ist schwierig
Gamma-Photonen „produzieren“ bei einem Stoß Masse:
AMS-02 misst diese Masse
Aussage über Herkunft
Materie aus Strange-Quarks
Fragen: Bestehen Neutronen-Sterne aus Strange-Materie?
Wird Kernmaterie bei hoher Dichte zu Strange-Materie?
AMS-02 sucht nach Strangelets
Definition: kleine Bälle aus Strange-Materie
Verhalten wie normale Kerne
aber größere Dichte und kleinere Ladung
bei jeder Größe stabil
AMS sucht Objekte mit • m = 10-100 m(C)
• nur 1/3 bis ½ der erwarteten Ladung
Antimaterie-Galaxien
Frage: Wo ist die Antimaterie?
2 Möglichkeiten: • Verletzung der Baryonenzahl
• Antimaterie entstand an anderem Ort
AMS-02 sucht nach Antimaterie an anderen Orten
Suche nach größeren Antimaterie-Kernen
Beispiel: Anti- Helium
Fast nie bei Teilchenkollisionen produziert
Produkt einer nuklearen Fusion eines Antisterns
Kalte, dunkle Materie
Problem: Wo ist die „fehlende“ Masse?
Supersymmetrische Teilchen?
SUSY: Entstehung vieler Neutralinos beim Big Bang
Theorie:
Galaxien „schwimmen“ in einem See von Neutralinos
Was sind Neutralinos?
leichtesten supersymmetrischen Teilchen
stabil, massiv, ungeladen
emittieren und absorbieren kein Licht
kein Zusammenklumpen diffuses Driften um Galaxien
WIMPs (weakly interacting massive particles)
0
1~
Nachweis der Neutralinos
Neutralinos reagieren untereinander
Nachweis über Neutralino Annihilation
Indirekte Suche
Annihilationsprodukte:
Positronen
Antiprotonen
Antideuteron
Gamma-Strahlung
Blue: background uncertainty
Background + DMA signal describe EGRET data!
Blue: WIMP mass uncertainty
50 GeV
70
Brems.
ICWIM
PS
0
IC
0
WIM
PS
Brems.
IC
Masse liegt zwischen
50 und 70 GeV
Gammaspektrum
masseabhängig
Gamma-Spektrum
Das Detektorsystem von AMS-02
TRD: Übergangsstrahlung-
detektor
Silizium-Spurdetektor mit
Supraleitendem Magneten u.
Antikoinzidenzzähler (ACC)
RICH: Ringabbildender
Cherenkov-Detektor
TOF- System:
Flugzeitmessung
ECAL:
Elektromagnetisches
Kalorimeter
Volumen:3333 m
Der Silizium-Spurdetektor
Das hochempfindliches Zentrum von AMS:
Aufbau: • 8 doppelseitige Lagen Silizium 6 Lagen im Magnetfeld
eine Lage ober-, eine unterhalb
• Beschichtung: Siliziumoxid mit sehr dünnen Aluminiumstreifen
orthogonal angeordnet
Aktive Fläche: 6,5 m2
Auflösung: • In y-Richtung: 10 m
• In x- und z-Richtung: 30 m
Hunderte, in Reihe geschaltete Chips:
„ladders“ (Leitern)
Schaltkreise zur Signalmessung
Silizium-Spurdetektor
Einfallendes ionisierendes Teilchen erzeugt
Elektron- Loch- Paar
Signal an den Streifenelektroden
Geladene Teilchen gekrümmte Kurve
Stärke des Signals abgegebenen Energie dE/dx
Betrag der Ladung |Z|
Krümmung der Kurve Rigidität R und Ladungsvorzeichen
Berechnung der Impulses
|| Z
pR
dE/dx ~ |Z|2
Messung bis zu Teilchenenergien von 1000 GeV
Der supraleitende Magnet
Eine der größten Herausforderungen:
Aufbau:
Spulen aus Niobium-Titan-Drähten
Zylinderförmige Anordnung:
• 2 Dipolspulen Hauptmagnetfeld (0,86 T)
• 12 „Racetrack“-SpulenMinimierung des Streufeldes
• Innendurchmesser: 1,1m
•Außendurchmesser: 2,7m
Ummantelt von hochreinem Aluminium
Betriebstemperatur: 1,8 K
Kühlung: superfluides Helium
Umgeben von Vakuumbehälter (Teil der USS)
V=0,6 m 3DipolspuleRacetrack
Spule
Helium
Tank
(2500L)
Vakuum
behälter
TRD: Übergangsstrahlungsdetektor
Entsteht beim Durchlauf geladener Teilchen durch Grenzfläche zweier
Materialien mit unterschiedlichen Brechungsindizees
Abhängig vom Lorentz-Faktor 2mc
E
Bei Elektronen höher als bei Protonen
Röntgenbereich
Unterscheidung zwischen
Protonen und Positronen
20 Lagen Vliesstoff wechseln sich
Mit den gasgefüllten Detektionsröhrchen ab
Um messbare Intensität zu
bekommen
Xenon: einfach ionisierbar
C0 : Regulation des Signal2
TOF: Die Flugzeitmessung
Präzise Zeit- und Richtungsmessung
Aufbau:
2 Lagen Szintillationsmaterial ober-, 2 Lagen
unterhalb des Spurdetektors
Bestimmung der Teilchengeschwindigkeit
(Präzision: 2%)
Zusätzliche Messung von dE/dx unabhängige
Ladungsmessung
Genauigkeit der Messung: 120 ps
Szintillatorleiste emittiert bei Durchgang eines
Teilchens Licht
Detektion erfolgt mittels Photomultiplierröhren
„Level 0“-Trigger von AMS-02
RICH: Ringabbildender Cerenkov-Detektor
Geschwindigkeitsmessung von Teilchen mit nahezu Lichtgeschwindigkeit
Messfehler: 0,1%
Cerenkov-Strahlung wird emittiert, wenn sich ein Teilchen in einem
Medium schneller bewegt, als das Licht
Erzeugung eines zeitl. veränderlichen Dipolmoments
Emission von el.-magn. Strahlung
Öffnungswinkel des Strahlungskegels: )/(1cos nC
Ermitteln der Geschwindigkeit
RICH: Aufbau
- Schicht aus Cherenkov-Material: Aerogel und NaF-Kacheln
- darunter: Ebene aus Photodetektoren (PMTs)
Cerenkov-Strahlung Ringförmiges Abbild auf PMTs
Dünner, konischer Spiegel umgibt Detektionsebene
Soviel Strahlung wie möglich soll
eingefangen werden
Öffnung in der PMT- Schicht um Teilchen zum ECAL durchzulassen
Unterschiedliche Cherenkov-Schwellen: • Aerogel: E > 2,1GeV
• NaF: E > 0,5 GeV
ECAL: Das elektromagnetisch Kalorimeter
Aufschichtung von dünnen Bleischichten und Szintillationsfasern
Blei: stoppt einfallenden Teilchen
einfallende Teilchen schauern
Szintillationsfasern: Detektion des emittierten Lichtes
Elektronen und Protonen schauern unterschiedlich
Elektronen: el.-magn. Schauer
deponieren gesamte Energie am
Anfang des Kalorimeters
Protonen: hadronische Schauer
Energiedepositon erst nach einer
gewissen Wegstrecke
Unterscheidung zw.
Positronen und
Protonen
Wahrscheinlichkeit falsch zu entscheiden: 1:10000
Identifikation der verschiedenen Teilchen
Weitere Komponenten
• arbeitet in Kombination mit GPS-Sytem
• Sucht nach Fixsternen, um genaue Position der ISS festzustellen
• 2 Optische Teleskope mit CCD Kameras:
an gegenüberliegenden Seiten von AMS angebracht
• starrer Rahmen der 7 t halten muss besonders beim Start
•Aus Aluminium
• 17 000 Löcher z.B. für Kabel
ACC: der Antikoinzidenzzähler
Der Star Tracker
USS: Unique Suport Structure
• umgibt den Spurdetektor
• Aufbau wie TOF-System
• 2 dünne Schichten aus Szintillatoren
Es werden nur Ereignisse gewertet,
bei denen alle 4 TOF-Schichten
aktiviert wurden und keine Teilchen
seitlich eingedrungen sind
AMS-02 (hoffentlich irgendwann) auf der ISS:
Quellen
http://ams.cern.ch/AMS/Description/overview.html
http://hpamsmi2.mi.infn.it/~wwwams/A_AMS.html
http://ams-02project.jsc.nasa.gov/
http://www-ekp.physik.uni-karlsruhe.de/~deboer/
http://de.wikipedia.org
http://cyclo.mit.edu/~bmonreal/frames.phys.html
http://dpnc.unige.ch/ams/ams.shtml