VORTRAG Lukas Sohl

Transkript

1 Antimaterie im Kosmos und AMS VORTRAG Lukas Sohl FAKULTÄT FÜR PHYSIK UND ASTRONOMIE Institut für Experimentalphysik I Experimentelle Hadronenphysik

2 Gliederung Antimaterie im Kosmos Physik Programm von AMS AMS Aufbau des AMS Erste Ergebnisse 2 / 25

3 Antimaterie Ein Sommernachtstraum We know positive and negative electricity, north and south magnetism, and why not some extra terrestrial matter related to terrestrial matter, as the source is to the sink Sir Arthur Schuster Im Ursprung bestand das Universum zu etwa gleichen Teilen aus Materie und Antimaterie Materie annihiliert mit Antimaterie Drei Sacharowkriterien erzeugen Baryonenasymmetrie CP-Verletzung der schwachen Wechselwirkung nicht ausreichend um Asymmetrie zu erklären Stabile Regionen aus Antimaterie im Universum? 3 / 25

4 Physik Programm vom AMS Suche nach Antimaterienukliden Schwere Nuklide aus Fusion von Antimaterie Vermessung von Energiespektren Identifizieren und Messen von allen Teilchensorten Genauere Vermessung der kosmischen Strahlung Unterscheidung neuer Phänomene Nachweis von dunkler Materie WIMPs eine Theorie für dunkle Materie Stabile Neutralinos (aus der SUSY) mögliche WIMP Kandidaten Positronen aus Annihilation von Neutralinos Suche nach exotischer Materie Strangelets aus Neutronensternen 4 / 25

5 Alpha Magnetic Spectrometer (AMS) Projekt unter Leitung von Samuel Ting Nachfolgeprojekt von AMS-01 seit 2011 an der ISS 5 / 25

6 AMS-01 AMS / 25

7 Transition Radiation Detektor Time-of-Flight Detektor Silizium Tracker Anti-Koinzidenz Zähler Cryomagnet Ring Imaging Cherenkov Zähler Elektromgnetisches Kalorimeter Star Tracker 7 / 25

8 Transition Radiation Detektor Unterscheidung von Protonen und Positronen 22 mm Polyethylen-Fasern Radiator Leptonen erzeugen an den vielen Materialübergängen γ-strahlung Photonen ionisieren Xenon Xenon ionisiert proportional zur Energie der Strahlung Signal wird am Anodendraht mit 1,6 kv detektiert THE ALPHA MAGNETIC SPECTROMETER ON THE INTERNATIONAL SPACE STATION ANDREI KOUNINE 8 / 25

9 Kohlefaser Schutzhülle Energiespektren von Elektronen und Protonen THE ALPHA MAGNETIC SPECTROMETER ON THE INTERNATIONAL SPACE STATION ANDREI KOUNINE 9 / 25

10 Time-of-Flight Counter Dient als Trigger Misst Geschwindigkeit, Richtung und Ladung Zwei Szintillatorschichten über und unter dem Magnet messen Flugzeit des Teilchens über einer Strecke von 1,2 m Kompakte Fine Mesh PMTs um Einfluss des Magnetfeldes zu minimieren 10 / 25

11 Silizium Tracker Ermittelt die Rigidity eines Teilchens 10 GeV Proton, R=10 GV 2264 Silizium Sensoren in 192 Streifen Double-Sided Micro-Strip Sensoren Ortsauflösung von 10 µm Elektronik erzeugt Wärme von 200 W Laser messen kontinuierlich Abstand der Lagen um Positionsberechnungen zu korrigieren Anti-Koinzidenz Zähler am Rand des Trackers verhindert die Detektion von seitlich durchgehende Teilchen 11 / 25

12 Temperatur und Ortsauflösung über ein Jahr verteilt Institut für Experimentalphysik I Experimentelle Hadronenphysik In Schichten angeordnete Silizium Streifen The antimatter spectrometer (AMS-02): A particle physics detector in space Roberto Battiston First Result from the Alpha Magnetic Spectrometer on the International Space Station: Precision Measurement of the Positron Fraction in Primary Cosmic Rays of GeV DOI: /PhysRevLett / 25

13 Kühlsystem Elektronische Systeme erzeugen 1500 W Wärme 1118 Temperatursensoren Keine Atmosphäre keine Lu kühlung Zwei Phasen Kühlkreislauf Radiatoren strahlen 2000 W ab 09.C2.7.1_Paper_AMS02_TTCS_J_van_Es_IAF_Space_Vehicles_iss04.pdf 13 / 25

14 Cryomagnet 0,86 T Magnetfeld im Zentrum Teilchen bis mehrerer TeV können detektiert werden 14 Supraleitende Spulen 4 K für NbTi Draht 2500 l Flüssig-Helium Tank 14 / 25

15 RICH Zähler Cherenkov Zähler um Isotope mit unterschiedlicher Masse zu unterscheiden Zentrum: Natriumflourid Radiatoren n=1,33 β>0,75 Rand: Aerogel n=1,05 β>0, / 25

16 Test Beam mit E=158 GeV/n THE ALPHA MAGNETIC SPECTROMETER ON THE INTERNATIONAL SPACE STATION ANDREI KOUNINE 16 / 25

17 ECL Hochenergetisches Positron hat die gleiche Rigidity wie ein niedrigenergetisches Proton 9 Schichten aus Bleifolie und Szintillatorfasern Elektromagnetische und hadronische Schauer werden erzeugt und rekonstruiert Aktive Fläche 64,8 cm X 64,8 cm Dicke 166,5 mm 17 e/p Fehlidentifikation Unterdrückung von 500 bei E>100 GeV 17 / 25

18 Star Tracker Herkunft der γ-strahlung und Teilchen wird kartiert Optische Tracker an jeder Seite des Detektors GPS System für genauen Zeitstempel Auflösung von ~1 µs 18 / 25

19 Auswertung der Messergebnisse 19 / 25

20 20 / 25

21 Dunkle Materie Dunkle Materie lässt sich durch die Verteilung des Positronen Elektronen Verhältnisses erklären: LSP bis 1 TeV Annihilieren zu Positron Elektron Paare Höherenergetische metastabile DM zerfällt leptophil 21 / 25

22 Positronen Elektronen Verhältnis Bis 10 GeV steigt das Verhältnis der Elektronen aufgrund von Sekundärstrahlung Anstieg der Positronen bis 275 GeV Bei höherer Energie ist die Statistik nicht ausreichend Bestätigung der Annahme, dass WIMPs dunkle Materie sind??? 22 / 25

23 Proton Fluss Verständnis über den Ursprung und der Energieverteilung von Protonen Rigidity von 1 GV bis 1,8 TV 300 Milionen Events wurden ausgewertet Ergebnisse ähnlich zu anderen Experimenten PHYSICAL REVIEW LETTERS 114, (2015) 23 / 25

24 Zusammenfassung Detektoren sind im Weltall schwierig zu betreiben Noch keine überzeugende Erklärung für Dunkle Materie Bislang keine Anzeichen für Antimaterie Regionen 24 / 25

25 Zum Nachlesen: ams.nasa.gov Andrei Kounine, THE ALPHA MAGNETIC SPECTROMETER ON THE INTERNATIONAL SPACE STATION, International Journal of Modern Physics E Vol. 21, No. 8 (2012) (31 pages) DOI: /S Roberto Battiston, The antimatter spectrometer (AMS-02): A particle physics detector in space, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 588 (2008) M. Aguilar et al., First Result from the Alpha Magnetic Spectrometer on the International Space Station: Precision Measurement of the Positron Fraction in Primary Cosmic Rays of GeV, PHYSICAL REVIEW LETTERS 110, (2013) DOI: /PhysRevLett M. Aguilar et al., Precision Measurement of the Proton Flux in Primary Cosmic Rays from Rigidity 1 GV to 1.8 TV with the Alpha Magnetic Spectrometer on the International Space Station, PHYSICAL REVIEW LETTERS 114, (2015) DOI: /PhysRevLett / 25