Suche nach Antimaterie im Weltraum

1. Suche nach Antimaterie im Weltraum AMS

2. Vortragsablauf: • Einleitung • Vorstellung AMS 01 • Ausblick/AMS 02 Michael Vennemann

3. Einleitung: • Was sind Antiteilchen? • …ein bisschen zur Historie • Warum scheint es bei uns keine Antimaterie zu geben? Michael Vennemann

4. Was charakterisiert Antiteilchen? • Haben dieselbe Masse und denselben Spin wie die Teilchen, aber entgegengesetzte elektromagnetische Eigenschaften wie Ladung und magnetisches Moment • Gleiche physikalische Gesetze wie für „normale“ Teilchen gültig Michael Vennemann

5. Was charakterisiert Antiteilchen? Teilchen+Antiteilchen=Vernichtung (Annihilation) (daher auch Einsatz in Medizin) • Paarbildung Teilchen/Antiteilchen durch Energieanregung • Manche Teilchen sind ihre eigenen Antiteilchen, z.B. Photonen • Antimaterie=Zusammenfügen von Antiteilchen Michael Vennemann

6. …ein bisschen zur Historie • Energie eines Teilchens lässt sich berechnen zu • normalerweise wird positive Lösung gewählt • Nach relativistischer Erweiterung von Quantenfeldtheorie Dirac postuliert 1927 Antiteilchen Michael Vennemann

7. Liste aller bekannten Elementarteilchen/Antiteilchen Michael Vennemann

8. Frühere Experimente zur Detektion von Antiteilchen • 1932: Anderson entdeckt Positron in kosmischer Strahlung (Nebelkammeranalyse) (Nobelpreis 1936) • 1955: Segré und Chamberlain entdecken Antiproton im Bevatron in Berkeley (Nobelpreis 1959) • 1965: Beobachtung eines Antideuterons (Antiproton+Antineutron) am Protonsynchroton in Cern wie auch am AGS (Alternating Gradient Synchroton) accelerator am Brookhaven National Laboratory Michael Vennemann

9. …weitere bisherige Experimente • 1995: CERN: Erzeugung von Antiwasserstoffatomen • Häufig: Ballonexperimente • 2. Juni 1998: Start der Discovery mit AMS 01 an Bord Michael Vennemann

10. Experiment zur Beobachtung des Antiprotons • S: Szintillationszähler; sprechen nur auf Teilchen mit bestimmter Energie an • C: Cerenkov-Zähler; vgl. S • Verhältnis der durchgelaufenen Teilchen zu Zahl der Antiprotonen: 1/40000 Michael Vennemann

11. Experiment zur Beobachtung des Antiprotons • Erster Ablenkmagnet: wählt nur negative Teilchen aus • Zwischen S1 und S2: M2 als Impulsselektor • Signal bei S2 nur, wenn Zeit zw. S1 und S2 „passend“ Michael Vennemann

12. Experiment zur Beobachtung des Antiprotons • Cerenkov-Zähler: Geschwindigkeits-abhängig zur Eleminierung zufälliger Koinzidenz C1 unempfindlich gegenüber Antiprotonen, C2 unempfindlich gegenüber Mesonen Michael Vennemann

13. Ergebnis des Experiments zur Beobachtung des Antiprotons Michael Vennemann

14. Warum scheint es bei uns keine Antimaterie zu geben? • Große Annihilation nach Entstehung des Universums („erst war beides da“)  Universum besteht nur aus „Überschussmasse“ (30.000.000.000 zu 30.000.000.001 Teilchen) CP-Verletzung Ursache des Überschusses • Antimateriebereiche im All, die von hier nicht messbar sind Michael Vennemann

15. Bisherige Nachweisversuche von kosmischer Antimaterie Indirekt: • Suche nach charakteristischer Gammastrahlung (durch Vernichtung) • Keine so intensive Gammastrahlung messbar • FallsAntisterne existieren, liegen sie außerhalb der Reichweite unserer Teleskope (mehrere Mrd. Lichtjahre entfernt) Michael Vennemann

16. Bisherige Nachweisversuche von kosmischer Antimaterie Direkt: • Suche nach Antiteilchen in der kosmischen Strahlung • Bisherige Messmethode: Ballonexperimente • In oberen Atmosphäreschichten im niederenergetischen Bereich so viele Positronen wie angenommen, im höherenergetischen Bereich mehr Michael Vennemann

17. Bisherige Nachweisversuche von kosmischer Antimaterie • Überschuss könnte systematischer Messfehler sein • Wenn nicht, so Hinweis auf bislang unbekannte Quelle hochenergetischer Positronen im Kosmos WIMPS (dunkle Materie) Michael Vennemann

18. Mögliche Quellen von Antiteilchen • Antiteilchen kommen in kosmischer Strahlung vor Zur Entstehung dieser viele Theorien, z.B. Super-Nova-Explosionen (da große Energien mögliche Antiteilchenentstehung), Sonnenflecken, schwarze Löcher, … Michael Vennemann

19. Motivation für AMS 01 • Vorteil: im Weltraum • Keine störende Atmosphäre • Höhere Präzision als bei vorangegangenen Versuchen • Antimaterie könnte detektiert werden (ein Antikohlenstoffkern würde reichen, da nicht zufällig erzeugt werden kann) (nur gezeigt, dass keins bis 10 Mpc) • Müsste in Anti-Stern erzeugt sein Michael Vennemann

20. Motivation für AMS 01 • Messung des Anteils von Antimaterienukliden in deutlich höherer Genauigkeit • Einsatz als Gammastrahlenteleskop Annihilation Erforschung von weiteren Gammastrahlenquellen Michael Vennemann

21. Motivation für AMS 01 • Suche nach dunkler Materie • Vorbereitung auf AMS 02: • Untergrundstudien • Bei Start/Landung Beschleunigungen bis 9g,Temperaturschwankungen zw. -180° und 50 °C etc. • Messverfahren unter realistischen Bedingungen testen Michael Vennemann

22. AMS 01 Michael Vennemann

23. AMS 01 Michael Vennemann

24. Aufbau von AMS 01 Nd-Fe-B Permanentmagnet: • 2,5 t • Bmax=0,14T • Dipolares Feld Michael Vennemann

25. Aufbau von AMS 01 Silizium-Spur-Detektor: • Messgenauigkeit: 10 μm • Ladungsvorzeichen • Energieverlust (dE/dx) • Steifigkeit (rigidity) (Maß für Impuls) Michael Vennemann

26. Aufbau von AMS 01 ToF-Szintillatoren: • Determinierung der Geschwindigkeit und Richtung der einfallenden Teilchen • Auflösung: besser als 100 ps Michael Vennemann

27. Aufbau von AMS 01 Antikoinzidenz-Szintillatoren (ACC): • Elimination seitlich eindringender Teilchen • Umgibt Silizium-Spur-Detektor zylindrisch Michael Vennemann

28. AMS 01 Michael Vennemann

29. Aufbau von AMS 01 Aerogel Schwellen Cerenkov Zähler (ATC): • Ziel: Trennung von Elektronen und Antiprotonen (bis zu Impuls von 4 GeV/c) Michael Vennemann

30. Aufbau von AMS 01 Low Energy Particle Shield: • Unterdrückung des Untergrundes bis E=5MeV Michael Vennemann

31. AMS 01 Michael Vennemann

32. Ergebnisse von AMS 01: • 90 Stunden Datenaufzeichnung • Unterschiedliche Einstellungen und Höhen (h=320-390 km) • Alle Längengrade, Breitengrade ±51,7° • Identifiziert: e±, p, D, He, schwere Kerne • Kein Kandidat mit Z=-2 • AntiHe/He < 1,1*10-6 Michael Vennemann

33. Ergebnisse von AMS 01: • Unerwartet hohe Positronendichte in der Nähe des Äquators • Protonen und Elektronen halten sich in einem bis dahin unbekannten Gürtel 400 km über Äquator auf Michael Vennemann

34. Ergebnisse von AMS 01 Michael Vennemann

35. Aufgaben für AMS 02 • Messung von hochenergetischen Positronen und Elektronen sowie niederenergetischen Antiprotonen • Bestimmung von Teilchen bis Z=25 (AMS 01: Z=2) • Suche nach Antikohlenstoff- und Antiheliumkernen in Entfernung von 150 Mpc durch Steigerung der Empfindlichkeit Michael Vennemann

36. Hauptaufgabenfelder der RWTH Aachen • Detektorentwicklung • Bau von Subdetektoren • Physikalische Analyse der Daten Michael Vennemann

37. AMS 02 auf der ISS Michael Vennemann

38. AMS 02 Michael Vennemann

39. AMS 02 Supraleitender Magnet: • Lebensdauer: 3 Jahre ohne Nachfüllen • Dipolares magn. Feld bei 0,87 T • Gewicht: 3t Michael Vennemann

40. AMS 02 SRD – Syncroton Radiation Detector • Ziel: Nachweis von TeV Elektronen und PeV Protonen • Ladungsvorzeichen-bestimmung Michael Vennemann

41. AMS 02 • TRD – Transition Radiation detector: • Misst Geschwindigkeit • Messbereich bis 300 GeV für Protonen • Elektron/Hadron Trennung besser 10-3 Michael Vennemann

42. AMS 02 RICH: Ring Imaging Cherenkov Detector • Ziel: Ladungsbestimmung bis Z=25 • Geschwindigkeits-bestimmung Michael Vennemann

43. Zeitplanung • Ursprüngliche Planung: Inbetriebnahme 2005 für 3-5 Jahre auf der ISS • Seit Challenger-Unglück muss Zeitplan vermutlich revidiert werden. Michael Vennemann