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