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Seminar zur Astro- und Teilchenphysik im WS 2001/02 - Das AMS-Experiment
Suche nach kosmischerAntimaterie
- Das AMS Experiment -
Stefan Wölfel - Dezember 2001
Seminar zur Astro- und Teilchenphysik im WS 2001/02 - Das AMS-Experiment
Gliederung
• Materie- /Antimaterieverteilung im Weltraum
• Ballonexperimente zur Erforschung der kosmischen Teilchenstrahlung
• Prinzip des AMS-Experiments• AMS 1 (Durchführung und Ergebnisse)• AMS 2 (Erwartungen an das Experiment)
Seminar zur Astro- und Teilchenphysik im WS 2001/02 - Das AMS-Experiment
Entstehung des Universums
Zeitliche Abfolge:10-43 s Planckzeit, unsere physikalischen Gesetze gelten.
Alle Fermionen sind zunächst gleichwertig und können durch die hypothetische X- und Y-Bosonen (M 1014 GeV/c2) ineinander übergehen. Nach der GUT-Theorie bilden sich in dieser “Ursuppe” Quarks und Antiquarks
10-35 s Raum wächst an (Inflation), T=1027 K (kT 1023 eV) Bildung von Materie und Antimaterie und Auslöschung in Photonen, aber ein winziger Materieüberschuss (heute: NB/N 10-9) bleibt übrig
10-10 s Bildung von Protonen und Neutronen ab T=1015 K (kT 100 GeV) und schließlich Kernfusion zu Helium
einige Min. Endverteilung: 75% Protonen, 24% Heliumkerne, 1% leichte Elemente (kT 100 keV)
300000 a Universum ist auf 3000 K abgekühlt und Atomkerne können Elektronen einfangen
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= 1
Im Universum bilden sich voneinander getrennte Materie- und Antimateriecluster.
> 1
Für ein unsymmetrisches Universum müssen drei Symmetrien verletzt sein:
- Baryonenzahlerhaltung
- CP-Verletzung
- Baryonenentstehung ausserhalb des thermischenGGW
neuere Untersuchungen:
- Messungen an K0- und B0- Mesonen zeigt eine CP-Verletzung in der schwachen WW.
Materie/Antimaterie - Verhältnis
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Die CP-Verletzung der schwachen WW
ABER:
K0-Zerfall: K0 -+e++e
K0-Zerfall: K0 ++e-+e
Tatsächlich beobachtet man aber eine Asymmetrie mit bevorzugtem Zerfall in positive Leptonen (Anzahl = N+).
Eigentlich: Die schwache WW ist weder symmetrisch bzgl. Raumspiegelung P noch bzgl. der Ladungskonjugation C, aber gegenüber der Hintereinanderanwendung beider Operatoren CP.
= 3,3*10-3N+ - N-
N+ + N-
Der Zustand |K0L> = 1/ 2 (|K0> + |
K0>) ist Eigenzustand zu CP und sollte zu gleichen Anteilen in beide Kanälen zerfallen.
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Die CP-Verletzung der schwachen WW
=3,3*10-3
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CP Verletzung von X-BosonenAnnahme: Die Amplituden der Kopplungskonstanten von starker und elektroschwacher WW nehmen bei genügend hoher Energie den gleichen Wert an.
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GUT - Grand Unified TheoryCP Verletzung bei X- und Y-Bosonen
e
e-
dR
dB
dGLH
W-
g
X
Läge eine CP-Verletzung, bei den Zerfällen der X- und Y- Bosonen vor, (q 0) und würden diese Zerfälle auch noch in einem thermischen Ungleichgewicht ablaufen dann könnte damit der Materieüberschuss im Universum erklärt werden.
Mögliche Zerfälle:
X qq X qq
X ql X ql
(X qq) = (1 + q)q
(X qq) = (1 - q)q
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Antimaterienachweis
Antiprotonen können relativ leicht durch Reaktionen kosmischer Protonen mit der interstellaren Materie erzeugt werden.
z.B. pp pp + pp (mit Ep 6* mpc2)
Die Wahrscheinlichkeit für die Bildung von Antihelium bzw. Antikohlenstoff durch Reaktionen kosmischer Teilchen mit dem interstellaren Medium ist aber äußerst gering: (Bsp: p + p He + X)
He/p 10-10
C/p 10-56
Wenn Antimateriekerne mit Z2 gefunden werden, stammen sie ziemlich sicher aus Antisternen oder abkühlenden Antiplasmen.
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Kosmische Teilchenstrahlung
Datenerfassung mit besserer Energieauflösung und StatistikUntersuchte Teilchen:p,p,e-,e+,He,leichte Elemente
Dunkle Materie
Was ist sie?
Nachweis von WIMPs, Neutralinos, ect.?
Weitere Forschungsgebiete
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Erforschung der kosmischen Strahlung
Robert Millikan (1868 - 1953) und sein Team
Mount Whitney (4350 m) in Kalifornien
Erste Messungen auf der Erdoberfläche
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Ballonexperimente
Randbedingungen:
- Flughöhe ca. 40 km
- Atmosphäre 3-5 g/cm2
- kurze Flugzeiten (einige Tage)
Rigidity = Steifigkeit = |Impuls|/Ladung
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Was ist das AMS - Experiment?
• Alpha Magnetic Spectrometer• Empfindlicher Teilchendetektor• Einsatz im terrestrischen Weltall
Wer betreibt das Experiment?
AMS wird von einer internationalen Kollaboration aus 41 Forschungsinstituten aus 13 Ländern in enger Zusammenarbeit mit der NASA gebaut.In Deutschland ist das RWTH Aachen federführend an dem Experiment beteiligt.
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Das AMS 1 Experiment
Missionsdaten:
Flugzeit: 2-12 Juni 1998
Messzeit ca. 135 Stunden
Flughöhe: 320-370 km
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Komponenten des Detektors
Allgemeine Daten
- Masse ca. 3 Tonnen- ca 70000 Kanäle- Leistung ca. 1 kW
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Komponenten des Detektors
Nd-Fe-B Permantenmagent:
2,5 Tonnen
Bmax = 0,14 T
Dipolfeld:
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Komponenten des Detektors
Silizium Tracker
Aufgaben:
Ladungsvorzeichen
Energieverlust (dE/dx)
Steifigkeit (p/Z)
Komponenten:
-6 Lagen n-Si-Wafer
-Auflösung p/p=7%
-Fläche : 6 m2
-Messgenauigkeit:
10-30 µm
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Komponenten des Detektors
Time of Flight (ToF)-System
-Geschwindigkeitsmessung (Auflösung bis 100 ps)
-Stellt den Trigger
-Bestimmung der Flugrichtung
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Komponenten des Detektors
Antikoinzidenzzähler
- 16 Module
- Elimination seitlich eindringender Teilchen
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Komponenten des Detektors
Schwellencherenkov Zähler
- Trennung von Elektronen und Antiprotonen bis zu p=4 GeV/c
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Komponenten des Detektors
Low Energie Particle Shield
- 10 mm Kohlenstoff-verbundmaterial
- Unterdrückung des Untergrunds bis E=5MeV
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Funktionsweise des Detektors
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Auflösungsvermögen für Antihelium
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Ergebnisse
1) Spektrum der kosmischen Teilchenstrahlung
- 108 Teilchen wurden detektiert
- genauere Spektren, als sie von Ballonexperimenten bisher geliefert wurden
Protonenspektrum für drei verschiedene geographische Breiten
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2) Teilchengürtel im Erdmagnetfeld entdeckt Unterhalb von ca. 6 GeV ist
die Anzahl der Teilchen die sich von der Erde wegbewegen und sich zu ihr hinbewegen etwa gleich.
Hinweis auf einen
Teilchengürtel
Ergebnisse
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Ergebnisse
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3) kein Antihelium nachgewiesenIm gesamten untersuchten Energiebereich konnte kein einziges Antihelium Ereignis nachgeweisen werden.
Ergebnisse
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zuviele Positronen
zuviel He3
4) Noch rätselhafte Ergebnisse
Ergebnisse
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Das AMS-2 Experiment
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Das AMS-2 Experiment
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Missionsdaten:
Installation auf der ISS
Betriebsaufnahme bis Ende 2003
Messdauer ca. 3 bis 5 Jahre
Das AMS-2 Experiment
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Unterschiede zu AMS-1
Allgemeine Daten:
Gewicht: 6 t
Leistung: 2 kW
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Unterschiede zu AMS-1
Supraleitender Magnet
- Bmax = 1T
- Strom = 450 A
- Betriebstemp. = 1,8 K
- 2600 l superfluides He
- Masse ca. 3 Tonnen
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Unterschiede zu AMS-1
Synchrotron radiation detector
- Größe: 2 mal 3 Meter
- Nachweis von TeV Elektronen und PeV Protonen aufgrund
ihrer Synchrotronstrahlung im
Erd-Magnetfeld
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Unterschiede zu AMS-1
Transition radiation detector
-Elektron/Hadron Trennung (besser 10-3)
-Messbereich bis 300 GeV (für Protonen)
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TRD - Detektor
Dieser Detektor wurde unter anderem von der RWTH Aachen entwickelt und gebaut
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Unterschiede zu AMS-1
Ring imaging Cherenkov detector
-Ladungsbestimmung bis Z=25
-Geschwindigkeitsbestim-mung
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Unterschiede zu AMS-1
EM-Kalorimeter
-Ausweitung der Elektron/Hadron Trennung bis ca. 1 TeV
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Anforderungen an AMS
• Bei Start/Landung treten Beschleunigungen bis zu 9g auf
• Das Experiment wird im Vakuum betrieben
• Temperaturschwankungen von –180 - +50 Grad Celsius
• Maximale Ausgasrate auf der ISS: < 110-14 g/s/cm2
• Maximales Gewicht 13500 lbs (Kosten: 10000 $/lbs)
• Maximaler Leistungsaufnahme: 2kW,1 Stromkabel mit 120 V
• Maximale Datenrate: 1Mbyte/s (optischer Link zur ISS)
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- Bessere Statistik durch längere Messdauer
- Größere Energiefenster
- Informationen über baryonische dunkle Materie
- ”Stellen der galaktischen Uhr” durch Bestimmung der Be10 und Al26
Konzentration
- empfindlicherer He/He oder C/C Nachweis
Was erhofft man sich?
Seminar zur Astro- und Teilchenphysik im WS 2001/02 - Das AMS-Experiment
Was erhofft man sich?
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CP-Verletzung und Urknalltheorie:
Gordon Kane, Modern Elementary Partyicle Physics (S. 271 -284)
Povh Rith, Teilchen und Kerne (S. 331 - 337, 203 - 206)
Bigi and Sand, CP-Violation (S. 349 - 352)
Byron P. Roe, Partyicle Physiks at the New Millennium (S. 281 -287)
Perkins, Introduction to Hight Energie Physics (S. 340 - 344)
Frank Wilczek, The Cosmic Asymmetry between Matter and Antimatter
div. Papers
AMS:
J.P. Vialle, The AMS Experiment: First results and physics prospect
Buenerd, M - AMS, a particle spectrometer in space
Barrau, A - AMS : A particle opservatory in space
Internet:
AMS 1: http://ams.cern.ch/AMS/ams01_homepage.html
AMS 2: http://hpl3tri.cern.ch/AMS/ams_homepage.html
div. Papers
Literatur