Post on 05-Apr-2015
Suche nach Antimaterie im Suche nach Antimaterie im WeltraumWeltraum
AMSAMS
07.07.200307.07.2003 Michael VennemannMichael Vennemann 22
Vortragsablauf:Vortragsablauf:
EinleitungEinleitung
Vorstellung AMS 01Vorstellung AMS 01
Ausblick/AMS 02Ausblick/AMS 02
07.07.200307.07.2003 Michael VennemannMichael Vennemann 33
Einleitung:Einleitung:
Was sind Antiteilchen?Was sind Antiteilchen?……ein bisschen zur Historieein bisschen zur HistorieWarum scheint es bei uns keine Warum scheint es bei uns keine
Antimaterie zu geben?Antimaterie zu geben?
07.07.200307.07.2003 Michael VennemannMichael Vennemann 44
Was charakterisiert Antiteilchen?Was charakterisiert Antiteilchen?
Haben dieselbe Masse und denselben Haben dieselbe Masse und denselben Spin wie die Teilchen, aber Spin wie die Teilchen, aber entgegengesetzte elektromagnetische entgegengesetzte elektromagnetische Eigenschaften wie Ladung und Eigenschaften wie Ladung und magnetisches Momentmagnetisches Moment
Gleiche physikalische Gesetze wie für Gleiche physikalische Gesetze wie für „normale“ Teilchen gültig„normale“ Teilchen gültig
07.07.200307.07.2003 Michael VennemannMichael Vennemann 55
Was charakterisiert Antiteilchen?Was charakterisiert Antiteilchen?
Teilchen+Antiteilchen=Vernichtung Teilchen+Antiteilchen=Vernichtung (Annihilation) (daher auch Einsatz in (Annihilation) (daher auch Einsatz in Medizin)Medizin)
Paarbildung Teilchen/Antiteilchen durch Paarbildung Teilchen/Antiteilchen durch EnergieanregungEnergieanregung
Manche Teilchen sind ihre eigenen Manche Teilchen sind ihre eigenen Antiteilchen, z.B. PhotonenAntiteilchen, z.B. Photonen
Antimaterie=Zusammenfügen von Antimaterie=Zusammenfügen von Antiteilchen Antiteilchen
07.07.200307.07.2003 Michael VennemannMichael Vennemann 66
……ein bisschen zur Historieein bisschen zur Historie Energie eines Teilchens Energie eines Teilchens
lässt sich berechnen zulässt sich berechnen zu
normalerweise wird normalerweise wird positive Lösung gewähltpositive Lösung gewählt
Nach relativistischer Nach relativistischer Erweiterung von Erweiterung von Quantenfeldtheorie Quantenfeldtheorie
Dirac postuliert 1927 Dirac postuliert 1927 AntiteilchenAntiteilchen
4222 cmcpE
07.07.200307.07.2003 Michael VennemannMichael Vennemann 77
Liste aller bekannten Liste aller bekannten Elementarteilchen/AntiteilchenElementarteilchen/Antiteilchen
07.07.200307.07.2003 Michael VennemannMichael Vennemann 88
Frühere Experimente zur Detektion Frühere Experimente zur Detektion von Antiteilchenvon Antiteilchen
1932: Anderson entdeckt 1932: Anderson entdeckt PositronPositron in kosmischer in kosmischer Strahlung (Nebelkammeranalyse) (Nobelpreis Strahlung (Nebelkammeranalyse) (Nobelpreis 1936)1936)
1955: Segré und Chamberlain entdecken 1955: Segré und Chamberlain entdecken AntiprotonAntiproton im Bevatron in Berkeley (Nobelpreis im Bevatron in Berkeley (Nobelpreis 1959)1959)
1965: Beobachtung eines 1965: Beobachtung eines AntideuteronsAntideuterons (Antiproton+Antineutron) am Protonsynchroton (Antiproton+Antineutron) am Protonsynchroton in Cern wie auch am AGS (Alternating Gradient in Cern wie auch am AGS (Alternating Gradient Synchroton) accelerator am Brookhaven Synchroton) accelerator am Brookhaven National LaboratoryNational Laboratory
07.07.200307.07.2003 Michael VennemannMichael Vennemann 99
……weitere bisherige Experimenteweitere bisherige Experimente
1995: CERN: Erzeugung von 1995: CERN: Erzeugung von AntiwasserstoffatomenAntiwasserstoffatomen
Häufig:Häufig: Ballonexperimente Ballonexperimente2. Juni 1998: Start der Discovery mit 2. Juni 1998: Start der Discovery mit
AMS 01 AMS 01 an Bordan Bord
07.07.200307.07.2003 Michael VennemannMichael Vennemann 1010
Experiment zur Beobachtung des Experiment zur Beobachtung des AntiprotonsAntiprotons
S: Szintillationszähler; S: Szintillationszähler; sprechen nur auf sprechen nur auf Teilchen mit bestimmter Teilchen mit bestimmter Energie anEnergie an
C: Cerenkov-Zähler; vgl. C: Cerenkov-Zähler; vgl. SS
Verhältnis der Verhältnis der durchgelaufenen Teilchen durchgelaufenen Teilchen zu Zahl der Antiprotonen: zu Zahl der Antiprotonen: 1/400001/40000
07.07.200307.07.2003 Michael VennemannMichael Vennemann 1111
Experiment zur Beobachtung des Experiment zur Beobachtung des AntiprotonsAntiprotons
Erster Ablenkmagnet: Erster Ablenkmagnet: wählt nur negative wählt nur negative Teilchen ausTeilchen aus
Zwischen SZwischen S11 und S und S22: :
MM22 als Impulsselektor als Impulsselektor
Signal bei SSignal bei S22 nur, nur,
wenn Zeit zw. Swenn Zeit zw. S11 und und
SS22 „passend“ „passend“
07.07.200307.07.2003 Michael VennemannMichael Vennemann 1212
Experiment zur Beobachtung des Experiment zur Beobachtung des AntiprotonsAntiprotons
Cerenkov-Zähler: Cerenkov-Zähler: Geschwindigkeits-Geschwindigkeits-abhängig zur abhängig zur Eleminierung Eleminierung zufälliger Koinzidenzzufälliger Koinzidenz
CC1 1 unempfindlich unempfindlich
gegenüber gegenüber Antiprotonen, CAntiprotonen, C2 2
unempfindlich unempfindlich gegenüber Mesonengegenüber Mesonen
07.07.200307.07.2003 Michael VennemannMichael Vennemann 1313
Ergebnis des Experiments zur Ergebnis des Experiments zur Beobachtung des AntiprotonsBeobachtung des Antiprotons
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Warum scheint es bei uns keine Warum scheint es bei uns keine Antimaterie zu geben?Antimaterie zu geben?
Große Annihilation nach Entstehung des Große Annihilation nach Entstehung des Universums („erst war beides da“)Universums („erst war beides da“)
Universum besteht nur aus Universum besteht nur aus „Überschussmasse“ (30.000.000.000 zu „Überschussmasse“ (30.000.000.000 zu 30.000.000.001 Teilchen)30.000.000.001 Teilchen)
CP-Verletzung Ursache des CP-Verletzung Ursache des ÜberschussesÜberschusses
Antimateriebereiche im All, die von hier Antimateriebereiche im All, die von hier nicht messbar sindnicht messbar sind
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Bisherige Nachweisversuche von Bisherige Nachweisversuche von kosmischer Antimateriekosmischer Antimaterie
Indirekt:Indirekt: Suche nach charakteristischer Suche nach charakteristischer Gammastrahlung Gammastrahlung
(durch Vernichtung) (durch Vernichtung) Keine so intensive Gammastrahlung messbar Keine so intensive Gammastrahlung messbar FallsFalls AntisterneAntisterne existieren, liegen sie außerhalb existieren, liegen sie außerhalb
der Reichweite unserer Teleskope (mehrere der Reichweite unserer Teleskope (mehrere Mrd. Lichtjahre entfernt)Mrd. Lichtjahre entfernt)
07.07.200307.07.2003 Michael VennemannMichael Vennemann 1616
Bisherige Nachweisversuche von Bisherige Nachweisversuche von kosmischer Antimateriekosmischer Antimaterie
Direkt:Direkt: Suche nach Suche nach AntiteilchenAntiteilchen in der kosmischen in der kosmischen
StrahlungStrahlung Bisherige Messmethode: Bisherige Messmethode: Ballonexperimente Ballonexperimente In oberen Atmosphäreschichten In oberen Atmosphäreschichten
im niederenergetischen Bereich so viele im niederenergetischen Bereich so viele Positronen wie angenommen, im Positronen wie angenommen, im höherenergetischen Bereich mehrhöherenergetischen Bereich mehr
07.07.200307.07.2003 Michael VennemannMichael Vennemann 1717
Bisherige Nachweisversuche von Bisherige Nachweisversuche von kosmischer Antimateriekosmischer Antimaterie
Überschuss könnte systematischer Überschuss könnte systematischer Messfehler seinMessfehler sein
Wenn nicht, so Hinweis auf bislang Wenn nicht, so Hinweis auf bislang unbekannte Quelle hochenergetischer unbekannte Quelle hochenergetischer Positronen im Kosmos Positronen im Kosmos
WIMPS (dunkle Materie)WIMPS (dunkle Materie)
07.07.200307.07.2003 Michael VennemannMichael Vennemann 1818
Mögliche Quellen von AntiteilchenMögliche Quellen von Antiteilchen
Antiteilchen kommen in kosmischer Antiteilchen kommen in kosmischer Strahlung vor Strahlung vor
Zur Entstehung dieser viele Theorien, z.B. Zur Entstehung dieser viele Theorien, z.B. Super-Nova-Explosionen Super-Nova-Explosionen (da große (da große Energien mögliche Energien mögliche Antiteilchenentstehung), Sonnenflecken, Antiteilchenentstehung), Sonnenflecken, schwarze Löcher, …schwarze Löcher, …
07.07.200307.07.2003 Michael VennemannMichael Vennemann 1919
Motivation für AMS 01Motivation für AMS 01
Vorteil: im Weltraum Vorteil: im Weltraum Keine störende AtmosphäreKeine störende AtmosphäreHöhere Präzision als bei Höhere Präzision als bei
vorangegangenen Versuchenvorangegangenen Versuchen Antimaterie könnte detektiert werden (ein Antimaterie könnte detektiert werden (ein
Antikohlenstoffkern würde reichen, da Antikohlenstoffkern würde reichen, da nicht zufällig erzeugt werden kann) (nur nicht zufällig erzeugt werden kann) (nur gezeigt, dass keins bis 10 Mpc)gezeigt, dass keins bis 10 Mpc)
Müsste in Anti-Stern erzeugt seinMüsste in Anti-Stern erzeugt sein
07.07.200307.07.2003 Michael VennemannMichael Vennemann 2020
Motivation für AMS 01Motivation für AMS 01
Messung des Anteils von Messung des Anteils von Antimaterienukliden in deutlich höherer Antimaterienukliden in deutlich höherer Genauigkeit Genauigkeit
Einsatz als GammastrahlenteleskopEinsatz als Gammastrahlenteleskop
AnnihilationAnnihilation
Erforschung von weiteren Erforschung von weiteren GammastrahlenquellenGammastrahlenquellen
07.07.200307.07.2003 Michael VennemannMichael Vennemann 2121
Motivation für AMS 01Motivation für AMS 01 Suche nach Suche nach dunkler Materiedunkler Materie
VorbereitungVorbereitung auf auf AMS 02:AMS 02:
UntergrundstudienUntergrundstudien
Bei Start/Landung Beschleunigungen bis Bei Start/Landung Beschleunigungen bis 9g,Temperaturschwankungen zw. -180° und 50 °C etc.9g,Temperaturschwankungen zw. -180° und 50 °C etc.
Messverfahren unter realistischen Bedingungen testen Messverfahren unter realistischen Bedingungen testen
07.07.200307.07.2003 Michael VennemannMichael Vennemann 2222
AMS 01AMS 01
07.07.200307.07.2003 Michael VennemannMichael Vennemann 2323
AMS 01AMS 01
07.07.200307.07.2003 Michael VennemannMichael Vennemann 2424
Aufbau von AMS 01Aufbau von AMS 01
Nd-Fe-B Nd-Fe-B Permanentmagnet:Permanentmagnet:
2,5 t2,5 t BBmaxmax=0,14T=0,14T Dipolares FeldDipolares Feld
07.07.200307.07.2003 Michael VennemannMichael Vennemann 2525
Aufbau von AMS 01Aufbau von AMS 01
Silizium-Spur-Detektor:Silizium-Spur-Detektor: Messgenauigkeit: 10 Messgenauigkeit: 10
μmμm LadungsvorzeichenLadungsvorzeichen Energieverlust Energieverlust
(dE/dx)(dE/dx) Steifigkeit (rigidity) Steifigkeit (rigidity)
(Maß für Impuls)(Maß für Impuls)
07.07.200307.07.2003 Michael VennemannMichael Vennemann 2626
Aufbau von AMS 01Aufbau von AMS 01
ToF-Szintillatoren:ToF-Szintillatoren:
Determinierung der Determinierung der Geschwindigkeit und Geschwindigkeit und Richtung der Richtung der einfallenden Teilcheneinfallenden Teilchen
Auflösung: besser als Auflösung: besser als 100 ps100 ps
07.07.200307.07.2003 Michael VennemannMichael Vennemann 2727
Aufbau von AMS 01Aufbau von AMS 01
Antikoinzidenz-Antikoinzidenz-Szintillatoren (ACC):Szintillatoren (ACC):
Elimination seitlich Elimination seitlich eindringender eindringender TeilchenTeilchen
Umgibt Silizium-Spur-Umgibt Silizium-Spur-Detektor zylindrischDetektor zylindrisch
07.07.200307.07.2003 Michael VennemannMichael Vennemann 2828
AMS 01AMS 01
07.07.200307.07.2003 Michael VennemannMichael Vennemann 2929
Aufbau von AMS 01Aufbau von AMS 01
Aerogel Schwellen Aerogel Schwellen Cerenkov Zähler Cerenkov Zähler (ATC):(ATC):
Ziel: Trennung von Ziel: Trennung von Elektronen und Elektronen und Antiprotonen (bis zu Antiprotonen (bis zu Impuls von 4 GeV/c)Impuls von 4 GeV/c)
07.07.200307.07.2003 Michael VennemannMichael Vennemann 3030
Aufbau von AMS 01Aufbau von AMS 01
Low Energy Particle Low Energy Particle Shield:Shield:
Unterdrückung des Unterdrückung des Untergrundes bis Untergrundes bis E=5MeVE=5MeV
07.07.200307.07.2003 Michael VennemannMichael Vennemann 3131
AMS 01AMS 01
07.07.200307.07.2003 Michael VennemannMichael Vennemann 3232
Ergebnisse von AMS 01:Ergebnisse von AMS 01:
90 Stunden Datenaufzeichnung90 Stunden DatenaufzeichnungUnterschiedliche Einstellungen und Höhen Unterschiedliche Einstellungen und Höhen
(h=320-390 km)(h=320-390 km)Alle Längengrade, Breitengrade ±51,7°Alle Längengrade, Breitengrade ±51,7° Identifiziert: e±, p, D, He, schwere KerneIdentifiziert: e±, p, D, He, schwere KerneKein Kandidat mit Z=-2Kein Kandidat mit Z=-2AntiHe/He < 1,1*10AntiHe/He < 1,1*10-6-6
07.07.200307.07.2003 Michael VennemannMichael Vennemann 3333
Ergebnisse von AMS 01:Ergebnisse von AMS 01:
Unerwartet hohe Positronendichte in der Unerwartet hohe Positronendichte in der Nähe des ÄquatorsNähe des Äquators
Protonen und Elektronen halten sich in Protonen und Elektronen halten sich in einem bis dahin unbekannten Gürtel 400 einem bis dahin unbekannten Gürtel 400 km über Äquator aufkm über Äquator auf
07.07.200307.07.2003 Michael VennemannMichael Vennemann 3434
Ergebnisse von AMS 01Ergebnisse von AMS 01
07.07.200307.07.2003 Michael VennemannMichael Vennemann 3535
Aufgaben für AMS 02Aufgaben für AMS 02
Messung von hochenergetischen Messung von hochenergetischen Positronen und Elektronen sowie Positronen und Elektronen sowie niederenergetischen Antiprotonenniederenergetischen Antiprotonen
Bestimmung von Teilchen bis Z=25 (AMS Bestimmung von Teilchen bis Z=25 (AMS 01: Z=2)01: Z=2)
Suche nach Antikohlenstoff- und Suche nach Antikohlenstoff- und Antiheliumkernen in Entfernung von 150 Antiheliumkernen in Entfernung von 150 Mpc durch Steigerung der EmpfindlichkeitMpc durch Steigerung der Empfindlichkeit
07.07.200307.07.2003 Michael VennemannMichael Vennemann 3636
Hauptaufgabenfelder der RWTH Hauptaufgabenfelder der RWTH AachenAachen
DetektorentwicklungDetektorentwicklung
Bau von SubdetektorenBau von Subdetektoren
Physikalische Analyse der DatenPhysikalische Analyse der Daten
07.07.200307.07.2003 Michael VennemannMichael Vennemann 3737
AMS 02 auf der ISSAMS 02 auf der ISS
07.07.200307.07.2003 Michael VennemannMichael Vennemann 3838
AMS 02AMS 02
07.07.200307.07.2003 Michael VennemannMichael Vennemann 3939
AMS 02AMS 02
Supraleitender Magnet:Supraleitender Magnet: Lebensdauer: 3 Jahre Lebensdauer: 3 Jahre
ohne Nachfüllenohne Nachfüllen Dipolares magn. Feld Dipolares magn. Feld
bei 0,87 Tbei 0,87 T Gewicht: 3tGewicht: 3t
07.07.200307.07.2003 Michael VennemannMichael Vennemann 4040
AMS 02AMS 02
SRD – Syncroton SRD – Syncroton Radiation DetectorRadiation Detector
Ziel: Nachweis von Ziel: Nachweis von TeV Elektronen und TeV Elektronen und PeV ProtonenPeV Protonen
Ladungsvorzeichen-Ladungsvorzeichen-bestimmungbestimmung
07.07.200307.07.2003 Michael VennemannMichael Vennemann 4141
AMS 02AMS 02
TRD – Transition TRD – Transition Radiation detector:Radiation detector:
Misst Misst GeschwindigkeitGeschwindigkeit
Messbereich bis 300 Messbereich bis 300 GeV für ProtonenGeV für Protonen
Elektron/Hadron Elektron/Hadron Trennung besser 10Trennung besser 10-3-3
07.07.200307.07.2003 Michael VennemannMichael Vennemann 4242
AMS 02AMS 02
RICH: Ring Imaging RICH: Ring Imaging Cherenkov DetectorCherenkov Detector
Ziel: Ziel: Ladungsbestimmung Ladungsbestimmung bis Z=25bis Z=25
Geschwindigkeits-Geschwindigkeits-bestimmungbestimmung
07.07.200307.07.2003 Michael VennemannMichael Vennemann 4343
ZeitplanungZeitplanung
Ursprüngliche Planung: Inbetriebnahme Ursprüngliche Planung: Inbetriebnahme 2005 für 3-5 Jahre auf der ISS2005 für 3-5 Jahre auf der ISS
Seit Challenger-Unglück muss Zeitplan Seit Challenger-Unglück muss Zeitplan vermutlich revidiert werden.vermutlich revidiert werden.