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Ubersicht
1. Einleitung
2. Prinzipielle Suchmethoden
3. Die kosmische Strahlung
4. Zwei Experimente
5. Zusammenfassung
Die Suche nach Antimaterie 10.Juni 2002 Christoph Rosemann 1
Was ist Antimaterie?
Vorhersage Antiteilchen zum Elektron: Paul Dirac (1928)
Dirac-Gleichung (Fermionen): (p/−m)ψ = 0
E2 = p2 +m2 ⇒ E = ±√
p2 +m2
Entdeckung des Positrons:
Carl Anderson (1932)
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Eigenschaften von Antimaterie
umgekehrtes Ladungsvorzeichen zu Materie
annihiliert mit Materie zu Strahlung
symmetrische Erzeugung von Materie und Antimaterie aus (genugend)Energie
(nahezu) symmetrische Vernichtung (CP - Verletzung)⇒ Sakharov - Argumente
Annahme (CPT - Theorem): alle Teilchen besitzen prinzipiell Antiteilchen(ντ noch nicht gefunden)
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Thermische Geschichte des Universums
Entstehung des Universums in Urknall - seitdem Expansion
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Enstehung der (Anti-) Materie
Hintergrund aus Entkopplung
Materie aus Nukleosynthese
konsistente Erklarung fur vielePhanomene
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Experimentelle Bestatigungen
Hintergrundstrahlungund Strukturbildung
Expansion des Universums
Nukleosynthese der leichten Elemente – relative Haufigkeit
Verhaltnis H : He : D ≈ 10 : 1 : 10−7
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Begrundung der Suche
Existieren vielleicht doch Antisterne oder Antigalaxien?
nur moglich, wenn Antimaterie und Materie streng getrennt
vielleicht vereinzelte “Kammern” aus Antimaterie in Halos von Galaxien?
in Galaxienebene: Population I und II – im Halo Population III
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Baryonsymmetrisches Universum? ⇒ wo ist Antimaterie?
Verteilung in grossen, getrennten Bereichen
Signatur in der Hintergrundstrahlung
Vernichtung an Domanengrenzen abRekombination unvermeidlich
Signalstarke und -struktur hangt vonDomanengroße ab
bislang unter der Beobachtungsgrenze
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Ubersicht
1. Einleitung
2. Prinzipielle Suchmethoden
3. Die kosmische Strahlung
4. Zwei Experimente
5. Zusammenfassung
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Direkte Suchmethoden
mit Detektor bestimmen:
• LadungBahnradius im Magnetfeld
• EnergieKalorimeter, . . .
• GeschwindigkeitToF, Cerenkov, . . .
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Indirekter Nachweis: Annihilation
Nukleon - Antinukleon Vernichtung:
N +N →
π− → µ− + νµ
(µ−) → e− + νe + νµπ+ → µ+ + νµ
(µ+) → e+ + νe + νµπ0 → γ + γ
symmetrische π− – π+ – Erzeugung, etwa gleiche Anzahl von π0
Lebensdauern: π0 ∼ 10−16s, π± ∼ 2.6 · 10−8s, µ± ∼ 2 · 10−6s
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Beispiel: Proton - Antiproton - Vernichtung
pro Vernichtung etwa 5-6 Pionen produziertEnergien und Haufigkeit der stabilen Produkte im Schwerpunktsystem
Teilchen Haufigkeit Anteil der totalen Energie mittlere Energiee± ∼ 3 ∼ 1/3 ∼ 100MeVνe, νe ∼ 3 ∼ 1/3 ∼ 100MeVνµ, νµ ∼ 6 ∼ 2/3 ∼ 100MeVγ ∼ 3 ∼ 2/3 ∼ 200MeV
(totale Energie in Protonenmassen)
γ – Photonen als Signal fur Vernichtung von Antimaterie brauchbar:relativ scharf definierte Energienγ - Maximum bei etwa 60MeV
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Proton - Antiproton: (experimentelle Daten)
Multiplizitat
variiert kaum
Wirkungsquerschnitt
groß – Vernichtung wahrscheinlich
(im niederenergetischen Bereich !)
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Beispiel: Elektron - Positron - Vernichtung
e+ + e− → γ + γ
wenig aussagekraftig, da zu niedrige EnergieEnergie im Schwerpunktsystem ∼ 0.5MeV pro γ
viele andere galaktische Phanomene erreichen ahnliche Energie
schon geringe Rotverschiebung reicht, um Signal unkenntlich zu machen
⇒ Signal “ertrinkt” im Untergrund
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Zwischenergebnisse
Keine Antimaterie gesehen:
• auf der Erde
• im Sonnensystem
• in Milchstrasse
• (offenbar) in “naherer” Umgebung der Galaxie (etwa 20 Mpc)
Problem: 1r2 – Abfall der Photonenzahl und Rotverschiebung z = λ−λ0
λ0
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2. Prinzipielle Suchmethoden
3. Die kosmische Strahlung
4. Zwei Experimente
5. Zusammenfassung
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Kosmische Strahlung
Hauptquelle fur die Suchenach Antimaterie
Informationen aus allen Teilendes Universums (?)
Klarung prinzipieller Fragen:
1. Entstehung
2. Spektrum
3. Detektion
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Gegenstand der Suche
Antikohlenstoff - Kern⇒ Antistern
α - Teilchen ⇒ primordiales Antihelium
Antiprotonen im wesentlichen aussagelos, weil sekundar produzierbar
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primar: direkt aus Quelle stammende Strahlung
sekundar: aus Interaktion der primaren Komponente mit Materie
hauptsachlich positiv geladene Teilchen und hochenergetische Photonen
ab bestimmter Energie keine Bindung mehr an Galaxie(Gyroradius des Teilchens großer als Milchstrassenradius)
extragalaktische Komponente etwa ab 5 · 1015eV = 5 · 106GeVUntersuchungen von Meteroriten zeigen konstanten Fluß
Ausbreitung beeinflußt durch (weitgehend unbekannte) Magnetfelder
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Energiespektrum
0.01
0.1
1
10
1011 1012 1013 1014 1015 1016 1017 1018 1019 1020 1021
E2.
7 dN/d
E
(cm
-2sr
-1s-1
GeV
1.7 )
(eV / nucleus)
HERARHIC
TEVATRON LHCfixed target
JACEE[11]Akeno[12]
Tien Shan[13]MSU[14]Tibet[15]
CasaMia[16]DICE[17]
HEGRA[18]CASA-BLANCA[19]
KASCADE[20]
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Zusammensetzung
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Sonneneinfluß
Sonne beeinflußt Strahlung die die Erde erreicht
direkt durch Sonnenwind
indirekt durch Beeinflussungder Magnetosphare
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Beschleunigung
Fermimechanismen: Interaktion mit interstellaren und intergalaktischenMagnetfeldern
Supernova-Schockwellenbeschleunigung
Zyklotronmechanismen (Sonnenflecken, Fleckenpaare)
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Detektion
geladene Teilchen:Elektron-Loch-Erzeugung in HalbleiterdetektorenIonisation: Gas-Detektoren (Proportionalkammern, etc.)Anregung: SzintillatorenBremsstrahlung: KalorimeterCherenkov-Strahlung: RICH, Photomultiplier
Photonen:kleine Energien (< 100keV ) uber Photoeffektmittlere Energien (100keV − 5MeV ) uber Compton-Streuunggroße Energien (> 5MeV ) uber Paarbildung
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primare Strahlung nur im Weltall
auf der Erde Alternativen:HEGRA, KASCADE, ...
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Experimente
1. BESS
(a) Aufbau(b) Eigenschaften(c) Ergebnisse
2. AMS
(a) Aufbau(b) Detektoren(c) Ergebnisse(d) AMS 01 und 02
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BESS
Balloon-borne Experiment with a Superconducting Solenoidal Magnet
amerikanisch – japanisches Projekt
in 5 Flugen ≈ 58h Daten gesammeltaus 108 Ereignissen 2.9 · 106 selektiert
Flughohe 36.5km ↔ Massenbelegung 5g/cm2
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BESS Aufbau
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Bess Eigenschaften
JET Kammer:polar 200µm, in z 2cm
Driftkammern: polar 200µm
Magnet: 1T (±15%)Analysestarke BL2 = 0.28Tm2
ToF: 110ps− 280ps± 10%Akzeptanz (“Fenster”große) 0.32m2sr
Rigiditatsbereich 0.8− 16GV(Rigiditat: Impuls pro Ladung)
Material oberhalb Detektor: 20g/cm2
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BESS Ergebnisse
Antiprotonenzahl mit sekundarer Erzeugung vertraglichkein Antihelium gefunden
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Alpha Magnetic Spectrometer
europaisch – amerikanisch –asiatisches Projekt
Probeflug: AMS-011998 10 Tage im All
≈ 94h in 320− 390km HoheOrbit in 52o nordl. Breite
aus ≈ 108 Ereignissen2.86 · 106 selektiert
ab 2004 AMS-02 auf der ISS
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AMS 01
Discovery
Space Shuttle Discoverythe AMS-01 carrier
Ams@Sts91Cpt_ww.eps
Silicon ∆y = 10 µ
Scin
tillators
Aerogel
NdFeBMagnetBL2 = 0.14 Tm2
Electronics70 000 channels
Low Energy Particle Shield
Vet
o C
ou
nte
rs
xyz
B
Q =
+Z
Q =
-Z
β:
p µ BL2/y
β:
http://ams.cern.ch/AMS/
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Detektoren AMS 01
Silizium Tracker:∆y = 10µm∆x, z = 20µm
Magnet: 0.14TBL2 = 0.14Tm2
ToF: 105ps
Akzeptanz 0.35m2sr
Rigiditatsbereich 1− 140GV
Material oberhalb Detektor: 3.5g/cm2
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Alpha Magnetic Spectrometer Event Display
Anti Proton from STS91momentum P @ 800 MeV/c
xyz
xyz
Ru
n 8
9707
7869
/ 219
68
Particle: GID=15 m= 1.0+-0.15, p=-0.8+-0.11, pat=17, status=22, beta=0.64+-0.052, betapat=1, charge= 1.0
Front Side
x y
z z
x
y
S1S2
S3S4
S1S2
S3S4
T1T2T3T4T5T6
T1T2T3T4T5T6
B B
gleiches Limit wie BESS: He/He ≈ 10−6
auch bei AMS 01: kein Antihelium
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wesentliche Unterschiede AMS 01 – AMS 02
Magnet:
AMS 01: PermanentAnalysestarke BL2 = 0.14Tm2
AMS 02: supraleitendAnalysestarke BL2 = 0.86Tm2
TRD: Transition Radiation DetectorECal: Electromagnetic CalorimeterRICH Zahler statt AerogelSilizium Tracker voll bestuckt
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Aufbau AMS 02
300 GeV
y2K
025m
a B
ecke
rCol
e- e+ P He
Tracker
TRD
TRD
RICHRICH
CalorimeterCalorimeter
± Q, P
P=mV, m=P/V
E:
V < C
V → C
e±, γ
Veto
B
TOF
TOF
pbkDat:capeTown@pbk:report_v0:DARK2002ww:
f02_ams02Detprinc.eps
a) b)
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Ausblick AMS 02
ab 2004 AMS 2 auf der ISS – mehr als 1000d Daten sammeln:
untere Grenze des He/He - Verhaltnis um Faktor 100 - 1000 senken
untere Grenzen fur Verhaltnisse schwererer Atome (Z > 2) senken
auch extragalaktische Komponenten untersuchen
weitere Prazisionsmessungen der kosmischen Strahlung
Suche nach Dunkler Materie
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ZusammenfassungZusammenfassung
• Trotz intensiver Suche bislang keine Antimaterie nachgewiesen
• obere Grenze fur He/He ≈ 10−6
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