suche nach antimaterie im weltraum ams. 07.07.2003michael vennemann2 vortragsablauf: einleitung...

Suche nach Antimaterie im Suche nach Antimaterie im WeltraumWeltraum

AMSAMS

07.07.200307.07.2003 Michael VennemannMichael Vennemann 22

Vortragsablauf:Vortragsablauf:

EinleitungEinleitung

Vorstellung AMS 01Vorstellung AMS 01

Ausblick/AMS 02Ausblick/AMS 02


Einleitung:Einleitung:

Was sind Antiteilchen?Was sind Antiteilchen?……ein bisschen zur Historieein bisschen zur HistorieWarum scheint es bei uns keine Warum scheint es bei uns keine

Antimaterie zu geben?Antimaterie zu geben?


Was charakterisiert Antiteilchen?Was charakterisiert Antiteilchen?

Haben dieselbe Masse und denselben Haben dieselbe Masse und denselben Spin wie die Teilchen, aber Spin wie die Teilchen, aber entgegengesetzte elektromagnetische entgegengesetzte elektromagnetische Eigenschaften wie Ladung und Eigenschaften wie Ladung und magnetisches Momentmagnetisches Moment

Gleiche physikalische Gesetze wie für Gleiche physikalische Gesetze wie für „normale“ Teilchen gültig„normale“ Teilchen gültig


Was charakterisiert Antiteilchen?Was charakterisiert Antiteilchen?

Teilchen+Antiteilchen=Vernichtung Teilchen+Antiteilchen=Vernichtung (Annihilation) (daher auch Einsatz in (Annihilation) (daher auch Einsatz in Medizin)Medizin)

Paarbildung Teilchen/Antiteilchen durch Paarbildung Teilchen/Antiteilchen durch EnergieanregungEnergieanregung

Manche Teilchen sind ihre eigenen Manche Teilchen sind ihre eigenen Antiteilchen, z.B. PhotonenAntiteilchen, z.B. Photonen

Antimaterie=Zusammenfügen von Antimaterie=Zusammenfügen von Antiteilchen Antiteilchen


……ein bisschen zur Historieein bisschen zur Historie Energie eines Teilchens Energie eines Teilchens

lässt sich berechnen zulässt sich berechnen zu

normalerweise wird normalerweise wird positive Lösung gewähltpositive Lösung gewählt

Nach relativistischer Nach relativistischer Erweiterung von Erweiterung von Quantenfeldtheorie Quantenfeldtheorie

Dirac postuliert 1927 Dirac postuliert 1927 AntiteilchenAntiteilchen

4222 cmcpE


Liste aller bekannten Liste aller bekannten Elementarteilchen/AntiteilchenElementarteilchen/Antiteilchen


Frühere Experimente zur Detektion Frühere Experimente zur Detektion von Antiteilchenvon Antiteilchen

1932: Anderson entdeckt 1932: Anderson entdeckt PositronPositron in kosmischer in kosmischer Strahlung (Nebelkammeranalyse) (Nobelpreis Strahlung (Nebelkammeranalyse) (Nobelpreis 1936)1936)

1955: Segré und Chamberlain entdecken 1955: Segré und Chamberlain entdecken AntiprotonAntiproton im Bevatron in Berkeley (Nobelpreis im Bevatron in Berkeley (Nobelpreis 1959)1959)

1965: Beobachtung eines 1965: Beobachtung eines AntideuteronsAntideuterons (Antiproton+Antineutron) am Protonsynchroton (Antiproton+Antineutron) am Protonsynchroton in Cern wie auch am AGS (Alternating Gradient in Cern wie auch am AGS (Alternating Gradient Synchroton) accelerator am Brookhaven Synchroton) accelerator am Brookhaven National LaboratoryNational Laboratory


……weitere bisherige Experimenteweitere bisherige Experimente

1995: CERN: Erzeugung von 1995: CERN: Erzeugung von AntiwasserstoffatomenAntiwasserstoffatomen

Häufig:Häufig: Ballonexperimente Ballonexperimente2. Juni 1998: Start der Discovery mit 2. Juni 1998: Start der Discovery mit

AMS 01 AMS 01 an Bordan Bord


Experiment zur Beobachtung des Experiment zur Beobachtung des AntiprotonsAntiprotons

S: Szintillationszähler; S: Szintillationszähler; sprechen nur auf sprechen nur auf Teilchen mit bestimmter Teilchen mit bestimmter Energie anEnergie an

C: Cerenkov-Zähler; vgl. C: Cerenkov-Zähler; vgl. SS

Verhältnis der Verhältnis der durchgelaufenen Teilchen durchgelaufenen Teilchen zu Zahl der Antiprotonen: zu Zahl der Antiprotonen: 1/400001/40000



Erster Ablenkmagnet: Erster Ablenkmagnet: wählt nur negative wählt nur negative Teilchen ausTeilchen aus

Zwischen SZwischen S11 und S und S22: :

MM22 als Impulsselektor als Impulsselektor

Signal bei SSignal bei S22 nur, nur,

wenn Zeit zw. Swenn Zeit zw. S11 und und

SS22 „passend“ „passend“



Cerenkov-Zähler: Cerenkov-Zähler: Geschwindigkeits-Geschwindigkeits-abhängig zur abhängig zur Eleminierung Eleminierung zufälliger Koinzidenzzufälliger Koinzidenz

CC1 1 unempfindlich unempfindlich

gegenüber gegenüber Antiprotonen, CAntiprotonen, C2 2

unempfindlich unempfindlich gegenüber Mesonengegenüber Mesonen


Ergebnis des Experiments zur Ergebnis des Experiments zur Beobachtung des AntiprotonsBeobachtung des Antiprotons


Warum scheint es bei uns keine Warum scheint es bei uns keine Antimaterie zu geben?Antimaterie zu geben?

Große Annihilation nach Entstehung des Große Annihilation nach Entstehung des Universums („erst war beides da“)Universums („erst war beides da“)

Universum besteht nur aus Universum besteht nur aus „Überschussmasse“ (30.000.000.000 zu „Überschussmasse“ (30.000.000.000 zu 30.000.000.001 Teilchen)30.000.000.001 Teilchen)

CP-Verletzung Ursache des CP-Verletzung Ursache des ÜberschussesÜberschusses

Antimateriebereiche im All, die von hier Antimateriebereiche im All, die von hier nicht messbar sindnicht messbar sind


Bisherige Nachweisversuche von Bisherige Nachweisversuche von kosmischer Antimateriekosmischer Antimaterie

Indirekt:Indirekt: Suche nach charakteristischer Suche nach charakteristischer Gammastrahlung Gammastrahlung

(durch Vernichtung) (durch Vernichtung) Keine so intensive Gammastrahlung messbar Keine so intensive Gammastrahlung messbar FallsFalls AntisterneAntisterne existieren, liegen sie außerhalb existieren, liegen sie außerhalb

der Reichweite unserer Teleskope (mehrere der Reichweite unserer Teleskope (mehrere Mrd. Lichtjahre entfernt)Mrd. Lichtjahre entfernt)



Direkt:Direkt: Suche nach Suche nach AntiteilchenAntiteilchen in der kosmischen in der kosmischen

StrahlungStrahlung Bisherige Messmethode: Bisherige Messmethode: Ballonexperimente Ballonexperimente In oberen Atmosphäreschichten In oberen Atmosphäreschichten

im niederenergetischen Bereich so viele im niederenergetischen Bereich so viele Positronen wie angenommen, im Positronen wie angenommen, im höherenergetischen Bereich mehrhöherenergetischen Bereich mehr



Überschuss könnte systematischer Überschuss könnte systematischer Messfehler seinMessfehler sein

Wenn nicht, so Hinweis auf bislang Wenn nicht, so Hinweis auf bislang unbekannte Quelle hochenergetischer unbekannte Quelle hochenergetischer Positronen im Kosmos Positronen im Kosmos

WIMPS (dunkle Materie)WIMPS (dunkle Materie)


Mögliche Quellen von AntiteilchenMögliche Quellen von Antiteilchen

Antiteilchen kommen in kosmischer Antiteilchen kommen in kosmischer Strahlung vor Strahlung vor

Zur Entstehung dieser viele Theorien, z.B. Zur Entstehung dieser viele Theorien, z.B. Super-Nova-Explosionen Super-Nova-Explosionen (da große (da große Energien mögliche Energien mögliche Antiteilchenentstehung), Sonnenflecken, Antiteilchenentstehung), Sonnenflecken, schwarze Löcher, …schwarze Löcher, …


Motivation für AMS 01Motivation für AMS 01

Vorteil: im Weltraum Vorteil: im Weltraum Keine störende AtmosphäreKeine störende AtmosphäreHöhere Präzision als bei Höhere Präzision als bei

vorangegangenen Versuchenvorangegangenen Versuchen Antimaterie könnte detektiert werden (ein Antimaterie könnte detektiert werden (ein

Antikohlenstoffkern würde reichen, da Antikohlenstoffkern würde reichen, da nicht zufällig erzeugt werden kann) (nur nicht zufällig erzeugt werden kann) (nur gezeigt, dass keins bis 10 Mpc)gezeigt, dass keins bis 10 Mpc)

Müsste in Anti-Stern erzeugt seinMüsste in Anti-Stern erzeugt sein


Motivation für AMS 01Motivation für AMS 01

Messung des Anteils von Messung des Anteils von Antimaterienukliden in deutlich höherer Antimaterienukliden in deutlich höherer Genauigkeit Genauigkeit

Einsatz als GammastrahlenteleskopEinsatz als Gammastrahlenteleskop

AnnihilationAnnihilation

Erforschung von weiteren Erforschung von weiteren GammastrahlenquellenGammastrahlenquellen


Motivation für AMS 01Motivation für AMS 01 Suche nach Suche nach dunkler Materiedunkler Materie

VorbereitungVorbereitung auf auf AMS 02:AMS 02:

UntergrundstudienUntergrundstudien

Bei Start/Landung Beschleunigungen bis Bei Start/Landung Beschleunigungen bis 9g,Temperaturschwankungen zw. -180° und 50 °C etc.9g,Temperaturschwankungen zw. -180° und 50 °C etc.

Messverfahren unter realistischen Bedingungen testen Messverfahren unter realistischen Bedingungen testen


AMS 01AMS 01


Aufbau von AMS 01Aufbau von AMS 01

Nd-Fe-B Nd-Fe-B Permanentmagnet:Permanentmagnet:

2,5 t2,5 t BBmaxmax=0,14T=0,14T Dipolares FeldDipolares Feld



Silizium-Spur-Detektor:Silizium-Spur-Detektor: Messgenauigkeit: 10 Messgenauigkeit: 10

μmμm LadungsvorzeichenLadungsvorzeichen Energieverlust Energieverlust

(dE/dx)(dE/dx) Steifigkeit (rigidity) Steifigkeit (rigidity)

(Maß für Impuls)(Maß für Impuls)



ToF-Szintillatoren:ToF-Szintillatoren:

Determinierung der Determinierung der Geschwindigkeit und Geschwindigkeit und Richtung der Richtung der einfallenden Teilcheneinfallenden Teilchen

Auflösung: besser als Auflösung: besser als 100 ps100 ps



Antikoinzidenz-Antikoinzidenz-Szintillatoren (ACC):Szintillatoren (ACC):

Elimination seitlich Elimination seitlich eindringender eindringender TeilchenTeilchen

Umgibt Silizium-Spur-Umgibt Silizium-Spur-Detektor zylindrischDetektor zylindrisch


AMS 01AMS 01



Aerogel Schwellen Aerogel Schwellen Cerenkov Zähler Cerenkov Zähler (ATC):(ATC):

Ziel: Trennung von Ziel: Trennung von Elektronen und Elektronen und Antiprotonen (bis zu Antiprotonen (bis zu Impuls von 4 GeV/c)Impuls von 4 GeV/c)



Low Energy Particle Low Energy Particle Shield:Shield:

Unterdrückung des Unterdrückung des Untergrundes bis Untergrundes bis E=5MeVE=5MeV


AMS 01AMS 01


Ergebnisse von AMS 01:Ergebnisse von AMS 01:

90 Stunden Datenaufzeichnung90 Stunden DatenaufzeichnungUnterschiedliche Einstellungen und Höhen Unterschiedliche Einstellungen und Höhen

(h=320-390 km)(h=320-390 km)Alle Längengrade, Breitengrade ±51,7°Alle Längengrade, Breitengrade ±51,7° Identifiziert: e±, p, D, He, schwere KerneIdentifiziert: e±, p, D, He, schwere KerneKein Kandidat mit Z=-2Kein Kandidat mit Z=-2AntiHe/He < 1,1*10AntiHe/He < 1,1*10-6-6


Ergebnisse von AMS 01:Ergebnisse von AMS 01:

Unerwartet hohe Positronendichte in der Unerwartet hohe Positronendichte in der Nähe des ÄquatorsNähe des Äquators

Protonen und Elektronen halten sich in Protonen und Elektronen halten sich in einem bis dahin unbekannten Gürtel 400 einem bis dahin unbekannten Gürtel 400 km über Äquator aufkm über Äquator auf


Ergebnisse von AMS 01Ergebnisse von AMS 01


Aufgaben für AMS 02Aufgaben für AMS 02

Messung von hochenergetischen Messung von hochenergetischen Positronen und Elektronen sowie Positronen und Elektronen sowie niederenergetischen Antiprotonenniederenergetischen Antiprotonen

Bestimmung von Teilchen bis Z=25 (AMS Bestimmung von Teilchen bis Z=25 (AMS 01: Z=2)01: Z=2)

Suche nach Antikohlenstoff- und Suche nach Antikohlenstoff- und Antiheliumkernen in Entfernung von 150 Antiheliumkernen in Entfernung von 150 Mpc durch Steigerung der EmpfindlichkeitMpc durch Steigerung der Empfindlichkeit


Hauptaufgabenfelder der RWTH Hauptaufgabenfelder der RWTH AachenAachen

DetektorentwicklungDetektorentwicklung

Bau von SubdetektorenBau von Subdetektoren

Physikalische Analyse der DatenPhysikalische Analyse der Daten


AMS 02 auf der ISSAMS 02 auf der ISS


AMS 02AMS 02


AMS 02AMS 02

Supraleitender Magnet:Supraleitender Magnet: Lebensdauer: 3 Jahre Lebensdauer: 3 Jahre

ohne Nachfüllenohne Nachfüllen Dipolares magn. Feld Dipolares magn. Feld

bei 0,87 Tbei 0,87 T Gewicht: 3tGewicht: 3t


AMS 02AMS 02

SRD – Syncroton SRD – Syncroton Radiation DetectorRadiation Detector

Ziel: Nachweis von Ziel: Nachweis von TeV Elektronen und TeV Elektronen und PeV ProtonenPeV Protonen

Ladungsvorzeichen-Ladungsvorzeichen-bestimmungbestimmung


AMS 02AMS 02

TRD – Transition TRD – Transition Radiation detector:Radiation detector:

Misst Misst GeschwindigkeitGeschwindigkeit

Messbereich bis 300 Messbereich bis 300 GeV für ProtonenGeV für Protonen

Elektron/Hadron Elektron/Hadron Trennung besser 10Trennung besser 10-3-3


AMS 02AMS 02

RICH: Ring Imaging RICH: Ring Imaging Cherenkov DetectorCherenkov Detector

Ziel: Ziel: Ladungsbestimmung Ladungsbestimmung bis Z=25bis Z=25

Geschwindigkeits-Geschwindigkeits-bestimmungbestimmung


ZeitplanungZeitplanung

Ursprüngliche Planung: Inbetriebnahme Ursprüngliche Planung: Inbetriebnahme 2005 für 3-5 Jahre auf der ISS2005 für 3-5 Jahre auf der ISS

Seit Challenger-Unglück muss Zeitplan Seit Challenger-Unglück muss Zeitplan vermutlich revidiert werden.vermutlich revidiert werden.

suche nach antimaterie im weltraum ams. 07.07.2003michael vennemann2 vortragsablauf: einleitung...

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