Das Alpha Magnet Spektrometer

auf der Suche nach Antikohlenstoff

Joachim Stroth

Die Entdeckung der AntimaterieDie 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-RätselDas Antimaterie-Rätsel

Nach gegenwärtigem Verständnis entstand Materie aus dem Vakuum während der

Frühphase des Urknalls

Wenn Materie aber nur paarweise erzeugt werden kann, warum Wenn Materie aber nur paarweise erzeugt werden kann, warum leben wir dann in einer Welt ohne Antimaterie?leben wir dann in einer Welt ohne Antimaterie?

Evidenz für fehlende Antimaterie: Keine entsprechende Vernichtungsstrahlung gefunden. Zu wenig Antiprotonen in der kosmischen Teilchenstrahlung.

10-43s

10-10s

10-34s

GUT

QGP

Hadronisierung

t

x

Kriterien von Sacharov (1967) Kriterien von Sacharov (1967)

Drei Voraussetzungen für die Entstehung einer Baryonenasymmetrie im Urknall

Verletzung der BaryonenzahlerhaltungLeptonen zerfallen in Quarks und umgekehrt

C und CP VerletzungDie Zerfallsraten sind für Quarks und Antiquarks unterschiedlich

Kein thermisches GleichgewichtB=0 wenn Baryonenzahl nicht erhalten ist

Antimaterie SzenarienAntimaterie Szenarien

Asymmetrisches Universum (B 0)

Bisher wurden keine astronomischen Objekte aus Antimaterie entdeckt

Verletzung der Baryonenzahl-erhaltung 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)

Symmetrisches Universum (B=0)

Fluktuationen im Urknall (Blasenbildung), separierte Anti-Galaxienhaufen

Zusätzliche schwach- wechselwirkende Baryonen

COBE, Hintergrundstrahlung

Nachweis von kosmischer Antimaterie Nachweis von kosmischer Antimaterie Bisherige ExperimenteBisherige Experimente

Ballon-Experimente (Supraleitende Magneten, Kalorimeter)effektive Targetdicke 5 g/cm2

Satelliten-Experiment (Erdmagnetfeld)

Bisher keine Antikerne mit Z 2 nachgewiesen

0,1 1 10 1001E-10

1E-9

1E-8

1E-7

1E-6

1E-5

1E-4

1E-3

Z > 2

Z > 2

Z > 2Z > 9

AMS

current limit

An

tin

ucl

eus/

Nu

cleu

s

Kinetic Energy (GeV/u)

0,1 1 10 1001E-10

1E-9

1E-8

1E-7

1E-6

1E-5

1E-4

Symmetric Universe

AMS

current limit

An

tih

eliu

m/H

eliu

m

Kinetic Energy [GeV/u]

Ein einzelner Anti-Kohlenstoffkern genügtEin einzelner Anti-Kohlenstoffkern genügt

Kosmische Anti-Kohlenstoffkerne können nicht vom Urknall stammen oder in sekundären Reaktionen entstehen

Als Quelle eines Anti-Kohlenstoff kommen nur stellare Objekte aus Antimaterie in Frage

Sensitivität von AMS ermöglicht den Nachweis extragalaktischer Antimaterie(Antigalaxien etc.)

1 10

1E-90

1E-80

1E-70

1E-60

1E-50

1E-40

1E-30

1E-20

1E-10

1

HAGEDORN

Produktion in Sekundärreaktionen

Rel

ativ

e A

usb

eute

Massenzahl des Antikerns

Alpha Magnetic SpectrometerAlpha Magnetic Spectrometer

Raumwinkel: 0.6 m2 sr

Messgrößen: |Z|, sign(Z), M, v

AMS, installiert auf Discovery für Mission STS-91 (MIR Ankopplung)

Gesamtflugdauer: 9 TageFlughöhe 300 km

Messdauer in richtiger Position (AMS zeigt in Richtung All): 108 h

AMS: Erstes Magnetspektrometer im Raum (400 km ü.NN)

6/1998: Shuttle (Flug STS-91) 2001-2003: Internationale Raumstation

Aufbau des SpektrometersAufbau 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

x = 8 m, y = 25 m

Flugzeit (t = 115 ps) Szintillator-Streifen (S1-S4)

Untergrund, Redundanz

Cherenkov-Zähler (psp = 3.5 GeV)

Antikoinzidenz-Zähler (ACC)

Identifikation von AntimaterieIdentifikation von Antimaterie

Signatur: Teilchenspur mit „negativer“ Krümmung

Methode Ablenkung im Magnetfeld

Mehrfachmessung der Trajektorie

Untergrund durch: Streuung im Detektormaterial Falschinterpretation der Flugrichtung Zufällige Koinzidenzen

M

dd

px

EZ

Z

pB

Nachweis der SensitivitätNachweis 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

RohdatenRohdaten

Shuttle-Orientierung in angekoppelter Position (MIR)

AMS E

rde

2

1

2

1

Rohspektren für Masse und ImpulsRohspektren für Masse und Impuls

Das Experimetierprogramm von AMSDas 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 RaumstationAMS auf der Internationalen Raumstation

2002-2004: 1010 Untergrund-Teilchen (e,p,p,He,C,..)

ZusammenfassungZusammenfassung

AMS: erstes raumgestütztes Magnetspektrometer

Es ermöglicht die Suche nach kosmischer Antimaterie außerhalb unserer Galaxie (> 10 Mpc)

Experimentelles Potential Teilchenphysik jenseits des Standardmodells (CP- und Baryonenzahl-

Verletzung) 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 TheorieBaryogenese 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

Erzeugung der Asymmetrie:

T>M: Thermisch equilibriertes System nx n X kann nicht nachgebildet werden. Zerfall langsamer als Expansion CP-Verletzung im X-Zerfall führt zu Baryonenüberschuß

4

1-1530

5

GeV10a10

g

M

M

g

m

M

pp

BaryonenzahlBaryonenzahl

Massenhäufigkeit im Universum werden relativ zur Grenzdichte angegeben(mit H = Hubble Konstante, G = Gravitationskonstante):

Sichtbare Materie (Baryonen in Sternen):

Dunkle Materie:

Aufteilung sichtbarer Materie in Isotope:

3292

cm

g1018

3 GH

c

005.0c

l

l

3.0tot

-1074 100.081 LiHeH

Baryonen-AsymmetrieBaryonen-Asymmetrie

Heute (T = 3K)

1 s nach dem Knall (T 1 GeV)

Heutiger Überschuß resultiert aus einer geringen Asymmetrie bei insgesamt hoher Nukleonenanzahl

33)K7.2/(400 cmTn1110)116(

s

nB B

nnn NN )10(O10)( 82

s

n

n

nn B

N

NN

Proton-Antiproton VernichtungProton-Antiproton Vernichtung

Bei Vernichtung in Ruhe:

Zerfall in 5-6 Pionen

)()(

)(

0

eee

NN

Signal von rotverschobenen Photonen aus dem Pionenzerfall nach

Paarvernichtung im Urknall

Lebensdauer des ProtonsLebensdauer des Protons

Grand Unified Theoriessehr schweres Boson (X) als Vermittler der Wechselwirkung in der vereinheitlichten Eichgruppe aus Quarks und Leptonen

X: Higgs-Boson M > 1010 GeV

X: Eichboson M > 1014 GeV

4

1-152954

4

GeV10a10

g

M

mg

M

pp

CP Verletzung im KaonensystemCP Verletzung im Kaonensystem

Das neutrale Kaonensystem besitzt zwei Eigenzustände bei Ankopplung der Schwachen Wechselwirkung mit: CP(KS)=+1, CP(KL)=-1

00333.01

,

00

000

ee KK

K

LL

L