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Suche nach kosmischer Antimaterie - Das AMS Experiment -

Suche nach kosmischer Antimaterie - Das AMS Experiment -. Stefan Wölfel - Dezember 2001. Gliederung. Materie- /Antimaterieverteilung im Weltraum Ballonexperimente zur Erforschung der kosmischen Teilchenstrahlung Prinzip des AMS-Experiments AMS 1 (Durchführung und Ergebnisse)

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Suche nach kosmischer Antimaterie - Das AMS Experiment -

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Presentation Transcript

  1. Suche nach kosmischerAntimaterie- Das AMS Experiment - Stefan Wölfel - Dezember 2001

  2. 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)

  3. Entstehung des Universums Zeitliche Abfolge: 10-43 sPlanckzeit, 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

  4. Materie/Antimaterie - Verhältnis = 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.

  5. Die CP-Verletzung der schwachen WW Eigentlich: Die schwache WW ist weder symmetrisch bzgl. Raumspiegelung P noch bzgl. der Ladungskonjugation C, aber gegenüber der Hintereinanderanwendung beider Operatoren CP. 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+). Der Zustand |K0L> = 1/ 2 (|K0> + |K0>) ist Eigenzustand zu CP und sollte zu gleichen Anteilen in beide Kanälen zerfallen. N+ - N- N+ + N- =  3,3*10-3

  6. Die CP-Verletzung der schwachen WW =3,3*10-3

  7. CP Verletzung von X-Bosonen Annahme: Die Amplituden der Kopplungskonstanten von starker und elektroschwacher WW nehmen bei genügend hoher Energie den gleichen Wert an.

  8. GUT - Grand Unified TheoryCP Verletzung bei X- und Y-Bosonen Mögliche Zerfälle: X  qq X  qq X  ql X  ql e e- dR dB dG W- X g (X  qq) = (1 + q)q (X  qq) = (1 - q)q LH 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.

  9. 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 Z2 gefunden werden, stammen sie ziemlich sicher aus Antisternen oder abkühlenden Antiplasmen.

  10. Weitere Forschungsgebiete Kosmische Teilchenstrahlung Datenerfassung mit besserer Energieauflösung und Statistik Untersuchte Teilchen: p,p,e-,e+,He,leichte Elemente Dunkle Materie Was ist sie? Nachweis von WIMPs, Neutralinos, ect.?

  11. Erforschung der kosmischen Strahlung Erste Messungen auf der Erdoberfläche Robert Millikan (1868 - 1953) und sein Team Mount Whitney (4350 m) in Kalifornien

  12. Ballonexperimente Randbedingungen: - Flughöhe ca. 40 km - Atmosphäre 3-5 g/cm2 - kurze Flugzeiten (einige Tage) Rigidity = Steifigkeit = |Impuls|/Ladung

  13. 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.

  14. Das AMS 1 Experiment Missionsdaten: Flugzeit: 2-12 Juni 1998 Messzeit ca. 135 Stunden Flughöhe: 320-370 km

  15. Komponenten des Detektors Allgemeine Daten - Masse ca. 3 Tonnen - ca 70000 Kanäle - Leistung ca. 1 kW

  16. Komponenten des Detektors Nd-Fe-B Permantenmagent: 2,5 Tonnen Bmax = 0,14 T Dipolfeld:

  17. 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

  18. Komponenten des Detektors Time of Flight (ToF)-System -Geschwindigkeitsmessung (Auflösung bis 100 ps) - Stellt den Trigger -Bestimmung der Flugrichtung

  19. Komponenten des Detektors Antikoinzidenzzähler - 16 Module - Elimination seitlich eindringender Teilchen

  20. Komponenten des Detektors Schwellencherenkov Zähler - Trennung von Elektronen und Antiprotonen bis zu p=4 GeV/c

  21. Komponenten des Detektors Low Energie Particle Shield - 10 mm Kohlenstoff-verbundmaterial - Unterdrückung des Untergrunds bis E=5MeV

  22. Funktionsweise des Detektors

  23. Auflösungsvermögen für Antihelium

  24. 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

  25. Ergebnisse 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

  26. Ergebnisse

  27. Ergebnisse 3) kein Antihelium nachgewiesen Im gesamten untersuchten Energiebereich konnte kein einziges Antihelium Ereignis nachgeweisen werden.

  28. Ergebnisse 4) Noch rätselhafte Ergebnisse zuviele Positronen zuviel He3

  29. Das AMS-2 Experiment

  30. Das AMS-2 Experiment

  31. Das AMS-2 Experiment Missionsdaten: Installation auf der ISS Betriebsaufnahme bis Ende 2003 Messdauer ca. 3 bis 5 Jahre

  32. Unterschiede zu AMS-1 Allgemeine Daten: Gewicht: 6 t Leistung: 2 kW

  33. Unterschiede zu AMS-1 Supraleitender Magnet - Bmax = 1T - Strom = 450 A - Betriebstemp. = 1,8 K - 2600 l superfluides He - Masse ca. 3 Tonnen

  34. 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

  35. Unterschiede zu AMS-1 Transition radiation detector -Elektron/Hadron Trennung (besser 10-3) -Messbereich bis 300 GeV (für Protonen)

  36. TRD - Detektor Dieser Detektor wurde unter anderem von der RWTH Aachen entwickelt und gebaut

  37. Unterschiede zu AMS-1 Ring imaging Cherenkov detector -Ladungsbestimmung bis Z=25 -Geschwindigkeitsbestim-mung

  38. Unterschiede zu AMS-1 EM-Kalorimeter -Ausweitung der Elektron/Hadron Trennung bis ca. 1 TeV

  39. 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: < 110-14 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)

  40. Was erhofft man sich? - 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

  41. Was erhofft man sich?

  42. Literatur 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

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