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INSTITUT FÜR EXPERIMENTELLE KERNPHYSIK
AMS-02, ein Detektor auf der ISS zur Suche nach dunkler Materie
Prof. Wim de Boer, AVKA, Karlsruhe, 09.12.2013
IKARLSRUHER INSTITUT FÜR TECHNOLOGIE
KIT – University of the State of Baden-Wuerttemberg and National Research Center of the Helmholtz Association www.kit.edu
23% dunkle Materie 4% sichtbare Materie
73% dunkle Energie
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Übersicht
Entdeckung der dunklen Energie (DE)(= Energieform mit abstoßender Gravitation)Perlmutter, Schmidt, Riess, Nobelpreis 2011
Entdeckung der dunklen Materie (DM)
2Prof. W. de Boer, KIT AVKA, Naturkundemuseum Karlsruhe, 09.12.2013
g ( )(Zwicky, 1932)
Suche nach der Natur der DM am KIT: CMS Exp. am LHC (Labor) Edelweiss Experiment (unterirdisch)
AMS Experiment (auf der ISS)
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Beschleunigte Expansion des Universums
3Prof. W. de Boer, KIT AVKA, Naturkundemuseum Karlsruhe, 09.12.2013
Perlmutter,Schmidtund Riess haben Supernovae „geblitzt“ und aus der Geschwindigkeit und Leuchtkraft die Expansion des Universums berechnet
Nobelpreis 2011 für dieEntdeckung derbeschleunigten Expansiondes Universums
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Hubble Bild der Supernova 1987A Explosionaufgenommen am 6. Februar, 1998
Durch die Schockwellewerden geladene Teilchenenorm beschleunigt.
Diese hochenergetischekosmische Strahlung ist
SN Ia sind Standardkerzen, d.h. bekannte Leuchtkraft. Aus gemessener Helligkeit kann man den Abstand bestimmen.
4Prof. W. de Boer, KIT AVKA, Naturkundemuseum Karlsruhe, 09.12.2013
gunsichtbar für das Auge,aber die Rate ist enorm:
ca. 75 Teilchen pro m2 pro Sek.(auf der Erde)
Diese Strahlung kann manmit Teilchendetektoren, wieAMS-02, nachweisen.
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Entdeckung der dunklen Materie
5Prof. W. de Boer, KIT AVKA, Naturkundemuseum Karlsruhe, 09.12.2013
Center of the Coma Cluster by Hubble space telescope ©Dubinski
Zwicky entdeckte in 1933, dass Galaxien im COMA Cluster zu hohe Geschwindigkeiten für das Gravitationspotential dersichtbare Materie haben.
Lösung: es muss zusätzliche „dunkle“ Materie geben (ca. 90% aller Materie!)
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Rotationskurve der Planeten der Sonne
Theoriev∝ √M/Rde
r Pla
nete
n [k
m/s
]
6Prof. W. de Boer, KIT AVKA, Naturkundemuseum Karlsruhe, 09.12.2013
Abstand zur Sonne R [AU]
Ges
chw
indi
gkei
t d
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Rotationskurve einer Galaxie
v∝ √M/R
7Prof. W. de Boer, KIT AVKA, Naturkundemuseum Karlsruhe, 09.12.2013
Rotationsgeschwindigkeit nimmt zu mit Masse innerhalb des Radius.Rotationskurve „flach“ viel unsichtbare Masse bei großen Radien.Dies muss neutrale, schwach wechselwirkende Materie sein. Ansonsten Energieverluste durch Wechselwirkungen. Daher nennt man diese dunkle Materieteilchen: WIMP = Weakly Interacting Massive Particle)
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Unsere Galaxie: die Milchstraße
8Prof. W. de Boer, KIT AVKA, Naturkundemuseum Karlsruhe, 09.12.2013
Aus der Umlaufgeschwindigkeit der Sonne von 900.000 km/h berechnet man lokal: ca. 1 WIMP/Kaffeetasse
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Bildung der Galaxien aus Dichteschwankungen unter Einfluss der SchwerkraftSteinmetz, Potsdam
9Prof. W. de Boer, KIT AVKA, Naturkundemuseum Karlsruhe, 09.12.2013DM > 80% der Materie, bestimmt also Schwerkraft. Sichtbare Materie (Gas) folgt.
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Colliding Clusters zeigen zwei Komponenten der Materie:sichtbare und dunkle Materie mit nur schwacher Wechselw.
Rot:sichtbaresGas
Aus Geschwindigkeiten kann man schließen, dass „Bullet Cluster“ vorher mit einem anderen Cluster zusammen gestoßen ist
Rot:sichtbares
10Prof. W. de Boer, KIT AVKA, Naturkundemuseum Karlsruhe, 09.12.2013
Gas
Blau: dunkle Materieaus Gravitations-potential
GasBlau: dunkle Materieaus Gravitations-potential
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Simulation der “Colliding Clusters”
http://www.sciam.com/August 22, 2006
11Prof. W. de Boer, KIT AVKA, Naturkundemuseum Karlsruhe, 09.12.2013
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Thermische Geschichte der WIMPS
Dichte als Funktion der Temp.
Beobachtete Dichte
er d
ensi
ty, G
riest
, PR
199
5
DM nimmt wieder zu in Galaxien:≈1 WIMP/Kaffeetasse ≈105 <ρ>. DMA ( ρ2) fängt wieder an
T>>M: f+f->M+M; M+M->f+fT<M: M+M->f+f., d.h. keine Produktionder DM mehr , nur noch Vernichtung(Annihilation) .WIMP Dichte unterhalbdieser Temperatur eingefroren.
12Prof. W. de Boer, KIT AVKA, Naturkundemuseum Karlsruhe, 09.12.2013
Com
ovin
gnu
mbe
x=m/T Jung
man
n,K
amio
nkow
ski, (∝ρ2) fängt wieder an.
Annihilation in leichtere Teilchen, wieQuarks und Leptonen -> Zerfälle -> Gammas, Positronen, Antiprotonen, Neutrinos
Einzige Annahme: WIMP = thermischesRelikt, d.h. im thermischen Bad des frühen Universums erzeugt.
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Indirekte Suche nach DM im Weltall
DM Vernichtung könnte starke Quelle für Antimaterie sein!
Alle Details bekannt von Elektron-Positron Vernichtung(am LEP Beschleuniger studiert)
13Prof. W. de Boer, KIT AVKA, Naturkundemuseum Karlsruhe, 09.12.2013
@http://theastronomist.fieldofscience.com/2010/05/dark-matter-confronts-observations.html
Jedoch Untergrund der kosmischen Strahlung, die mit dem Gas kollidiert Antimaterieund Gammastrahlung.
Spektra von Signal und Untergrund jedoch unterschiedlich und bekannt ausBeschleunigerexp,
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Erwartungen für Kollisionen von WIMPS
mχ=800 GeV
Dunkle Materie Model von I. Cholis et al., arXiv:0810.5344
on A
ntei
le+
/(e+
+ e-
)
maximaleEnergie
14Prof. W. de Boer, KIT AVKA, Naturkundemuseum Karlsruhe, 09.12.2013
mχ=400 GeV
e± energy [GeV]
Posi
tro
0.1
10 102
gegeben durchWIMP Masse
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Das Physikprogramm von AMS
Discoveries:(1) Pulsar,(2) Microwave,(3) Binary Pulsars,(4) X Ray sources,
solar neutrinos
Hubble, Chandra, Fermiγ ,ν
15Prof. W. de Boer, KIT AVKA, Naturkundemuseum Karlsruhe, 09.12.2013
solar neutrinos(5) Dark Matter,
Dark Energy
… …WHIPPLE,HESS,VERITAS,…
AUGER
SUPER KHiRes
2. Charged componentsgamma rays: AMS
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Science on the ISS
AMS
Das Alpha-Magnet-Spektrometer auf der Internationalen Raumstation ISS seit Mai, 2011
Sichtbar mit bloßem Auge in KA am 10.12.2013 um 5:42:22 für 1 Minute und 29 Sek.
(ISS APP oder http://iss.de.astroviewer.net/beobachtung.php)
16Prof. W. de Boer, KIT AVKA, Naturkundemuseum Karlsruhe, 09.12.2013S.C.C. TingJanuary 5, 2007
AMS
16
ISS: 109 m x 80 mCost: $ 100 billion Life time 20 years
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AMS-02 installiert auf der ISS
Astro-nauten
17Prof. W. de Boer, KIT AVKA, Naturkundemuseum Karlsruhe, 09.12.2013
AMS-02
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TRD
TRACKER PLANE 1N
PLANE 1NS
UTOF
ANTIMATTERMATTERWeight 7500 kgVolume 64 cubic metersPower 2500 wattsData downlink 2 Mbps (average)Magnetic field intensity 0,125 Tesla or 1250 Gauss (4000 times stronger than the Earth magnetic field)Magnetic material Neodymium alloy (Nd2Fe14B), weighting 1200 kg
Alpha Magnetic Spectrometer AMS-02
18Prof. W. de Boer, KIT AVKA, Naturkundemuseum Karlsruhe, 09.12.2013
MA
GN
ET
VACUUM CASE
ECALTRACKER PLANE 6
TRACKER
AC
C
LTOF
RICH
(Nd2Fe14B), weighting 1200 kgSubsystems 15 among particle detectors and supporting subsystemsLaunch 16th May 2011, 08:56 am EDTMission duration through the lifetime of the ISS, until 2020 or longer (it will not return back to Earth)Construction 1999-2010Cost $1.5 billion (estimated)
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Alpha Magnetic Spectrometer AMS-02
19Prof. W. de Boer, KIT AVKA, Naturkundemuseum Karlsruhe, 09.12.2013
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Teilchen in der kosmischen Strahlung
20Prof. W. de Boer, KIT AVKA, Naturkundemuseum Karlsruhe, 09.12.2013
Energie [GeV]
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Teilchenidentifikation in AMS
21Prof. W. de Boer, KIT AVKA, Naturkundemuseum Karlsruhe, 09.12.2013
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AMS: A TeV precision, multipurpose spectrometer
1
TRDIdentify e+, e- , Z
Silicon TrackerZ, P
TOFZ, E
Particles and nuclei are defined by their charge (Z) and energy (E ~ P)
Magnet±Z
(5x4x3m, 7500 kg)
22Prof. W. de Boer, KIT AVKA, Naturkundemuseum Karlsruhe, 09.12.2013
Trac
ke r
2
7-8
3-4
9
5-6
ECALE of e+, e-, γ
RICHZ, E
Z, P are measured independently by the Tracker, RICH, TOF and ECAL
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23Prof. W. de Boer, KIT AVKA, Naturkundemuseum Karlsruhe, 09.12.2013
12.February 2010 - 16. Febrauary 2010: AMS-02 Transport from CERN, Geneva to ESTEC, Noordwijk, Netherlands
23
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AMS in the Maxwell EMI chamber at ESTEC
24Prof. W. de Boer, KIT AVKA, Naturkundemuseum Karlsruhe, 09.12.201324
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US Air Force C-5 Galaxyhas been used for transportfrom Geneva to Kennedy Space Center (Cape Canaveral) Sept. 2010
25Prof. W. de Boer, KIT AVKA, Naturkundemuseum Karlsruhe, 09.12.2013
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AMS in space shuttle Endeavour
26Prof. W. de Boer, KIT AVKA, Naturkundemuseum Karlsruhe, 09.12.2013
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PayloadCommanderAndreasSabellekvon KIT
KIT verantwortlich für AMS nach dem Start
27Prof. W. de Boer, KIT AVKA, Naturkundemuseum Karlsruhe, 09.12.2013
vor Endeavournach dem letzten Checkvon AMS inEndeavour
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Launch May 16, 2011, 08:56 AM
28Prof. W. de Boer, KIT AVKA, Naturkundemuseum Karlsruhe, 09.12.2013
Totales Gewicht: 2008 tAMS : 7.5 t
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Launch
29Prof. W. de Boer, KIT AVKA, Naturkundemuseum Karlsruhe, 09.12.2013
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Launch, 16.5.2011 at 8:56 am (European time)
30Prof. W. de Boer, KIT AVKA, Naturkundemuseum Karlsruhe, 09.12.2013
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Shuttle docked to ISS
31Prof. W. de Boer, KIT AVKA, Naturkundemuseum Karlsruhe, 09.12.2013
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Endeavour docked to ISS(photo during space walk)
32Prof. W. de Boer, KIT AVKA, Naturkundemuseum Karlsruhe, 09.12.2013
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Endeavour docked to ISS(photo during space walk)
33Prof. W. de Boer, KIT AVKA, Naturkundemuseum Karlsruhe, 09.12.2013
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600 Physiker, 60 Insititute, 16 LänderBauzeit AMS-02: 10 Jahre
SpokesmanSam TingNobelprize 1976started AMS in 1994
34Prof. W. de Boer, KIT AVKA, Naturkundemuseum Karlsruhe, 09.12.2013
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The AMS Detector November 23, 2007
RWTH, AachenKIT, Karlsruhe
35Prof. W. de Boer, KIT AVKA, Naturkundemuseum Karlsruhe, 09.12.2013
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TRD Readout Computers
5,248 Pulse
Heights
AMSWire
Busy
Trigger
Busy
Trigger
AMSWire
To next level
5,248 Channels,112 Voltages, 24 TRD Data Reduction
Computers (UDR)4 Readout
Computers (JINF-U)
36Prof. W. de Boer, KIT AVKA, Naturkundemuseum Karlsruhe, 09.12.2013
• Analog to digital conversion• Data reduction:
Pedestal subtractionRemove empty channels
•Format, send to next level
•Control High & Low Voltage•Distribute command to UDR•Combine Busy signals•Distribute Trigger
High & Low Voltage Control
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TRD Elektronikexperten
Sabellek HaulerSchmanau
37Prof. W. de Boer, KIT AVKA, Naturkundemuseum Karlsruhe, 09.12.2013
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AMS Messungen der Nukleonen
EntriesH
He
LiBe
B CN
O
FNe
NaMg
AlSi
Cl Ar K Ca S Ti CrP S
Fe
108
107
106
105
104
103
102
38Prof. W. de Boer, KIT AVKA, Naturkundemuseum Karlsruhe, 09.12.2013
K Ca Sc Ti V CrNi10
1
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Verhältnis primärer zu sekundärer Teilchen
39Prof. W. de Boer, KIT AVKA, Naturkundemuseum Karlsruhe, 09.12.2013
Preliminary, S. Kunz, KIT
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Spallation eines Kohlenstoffatoms
Layer 1 = 6.1
TRD = 6.0
UTOF = 7.6
R = 10 GV
40Prof. W. de Boer, KIT AVKA, Naturkundemuseum Karlsruhe, 09.12.2013
Inner = 4.8
LTOF = 5.2
RICH = 5.0
R = 10 GV
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Kontrollraum für AMS am CERN
41Prof. W. de Boer, KIT AVKA, Naturkundemuseum Karlsruhe, 09.12.2013
Schichten: 365 Tage/Jahr!24h//Tag
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Wichtigste Aufgaben beim Schicht
Gasdruckkontrolle: Gas des TRDs kann bei einem Leck entweichen-> AMS tot, ISS dreht
Temperaturkontrolle, denn Änderungen durchU l f d ISS i 90‘ d h 45‘ T 45‘ N ht
42Prof. W. de Boer, KIT AVKA, Naturkundemuseum Karlsruhe, 09.12.2013
Umlauf der ISS in 90‘, d.h. 45‘ Tag, 45‘ Nacht
Sonneneinfallswinkel (β)ISS Höhe
Position der Solarzellen und ISS Radiatoren>1000 Temperatursensoren und 298 Heizungen,
damit Temp. überall in vorgegeben Grenzen gehalten wird, um irreparable Schaden zu vermeiden
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Misalignment durch Temperatureffekte
ung
TRD
-Tra
cker
[cm
]
M. Heil, Dr. Arbeit, KIT, 2013
43Prof. W. de Boer, KIT AVKA, Naturkundemuseum Karlsruhe, 09.12.2013
Rel
ativ
e Ve
rsch
ieb
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Was kann alles passieren?
ISS dreht um 180 Grad, damit Astronaut ein schönes Bild machen kann:
AMS muss Ersatzkühlung zusätzlich einschalten
Solarpanele „feathered“ um Platz zu ATV
Soyuz
vour
44Prof. W. de Boer, KIT AVKA, Naturkundemuseum Karlsruhe, 09.12.2013
p „machen für Anflug/Abflug:
AMS muss mit weniger elektrische Leistung auskommen (Heizungen abschalten)
AMS Laptop auf ISS streikt:Astronauten anrufen
ProgressEnde
a
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Cady Coleman startet AMS Laptop auf der ISS
45Prof. W. de Boer, KIT AVKA, Naturkundemuseum Karlsruhe, 09.12.2013
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Endeavour Day 6
Endeavour Day 6: Message from Vatican
46Prof. W. de Boer, KIT AVKA, Naturkundemuseum Karlsruhe, 09.12.2013
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Endeavour Day 6: ISS tour
47Prof. W. de Boer, KIT AVKA, Naturkundemuseum Karlsruhe, 09.12.2013
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Erste Daten von AMS-02
Nach 18 Monaten Datennahme im Weltraum hat AMS>30 109 Ereignisse aufgezeichnet.
(>7 Millionen sind Elektronen oder Positronen)
48Prof. W. de Boer, KIT AVKA, Naturkundemuseum Karlsruhe, 09.12.2013
(>7 Millionen sind Elektronen oder Positronen)
Dies sind 10% der zu erwartenden Datenmenge(Datenname bis 2029?)
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S l t d f
“First Result from the AMS on the ISS: Precision
Measurement of the Positron Fraction in Primary Cosmic
Rays of 0.5-350 GeV”Phys. Rev. Lett. 110, 141102
(2013) [10 pages]
Erste Resultate veröffentlicht am 03.04.2013
49Prof. W. de Boer, KIT AVKA, Naturkundemuseum Karlsruhe, 09.12.2013
Selected for a Viewpoint in Physics and an Editors’ Suggestion
Seit Publikation vor 3 Monaten: 46 x zitiert
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Positronverhältnis: e+/(e+ + e-)
M. Heil. Doktorarbeit, 05.07.2013
50Prof. W. de Boer, KIT AVKA, Naturkundemuseum Karlsruhe, 09.12.2013
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Vergleich mit anderen Experimenten
51Prof. W. de Boer, KIT AVKA, Naturkundemuseum Karlsruhe, 09.12.2013
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http://www.tagesschau.de/ausland/dunklematerie100.htm
Forscher finden Hinweise auf Dunkle Materie
„Ein Wissenschaftlerteam am Forschungszentrum CERN in Genf hat erstmals Hinweise auf die Existenz der Dunklen Materie gefunden“
Leider gibt es auch andere Erklärungen, z.B. benachbarte
ARD Tagesthemen am 03.04.2013
52Prof. W. de Boer, KIT AVKA, Naturkundemuseum Karlsruhe, 09.12.2013
g g ,astrophysikalische Quellen, wie Pulsare. (Überschuss an Positronen ist eigentlich zu groß für DM Signal)
Wir brauchen mehr Daten um Abfall des Signals bei hohenEnergien untersuchen zu können.
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Wie kann man Pulsare von DM unterscheiden?
Pulsare keine Antiprotonen, Gammas Punktquelle
DM Antiprotonen, Gammas diffus und zeigen zurück zur Quelle, d.h. Signalüberschuss in Gammas folgt DM Profil
53Prof. W. de Boer, KIT AVKA, Naturkundemuseum Karlsruhe, 09.12.2013
Brauche Kombination aller Daten:Positronen, Antiprotonen, Gammas(und Kerne um Propagationsmodelle zu testen) Erwartete Spektren aller Teilchen bekannt
(aus Beschleunigerexp. )
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AMS Himmelskarte der Gammastrahlung oberhalb 2 GeV
Geminga
54Prof. W. de Boer, KIT AVKA, Naturkundemuseum Karlsruhe, 09.12.2013
Vela
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Zusammenfassung
Natur der dunklen Materie unbekanntAMS sieht zu viele Positronen, aber die neue Quelle könnte auch von Pulsaren stammenB h h D t
55Prof. W. de Boer, KIT AVKA, Naturkundemuseum Karlsruhe, 09.12.2013
Brauche mehr Daten um Abfall zu sehen und Vergleich mit Antiprotonen und Gamma SpektrenHoffnung: Am LHC werden WIMPS entdeckt und AMS bestätigt,dass diese neue Teilchen die WIMPs sind.