1 Das Alpha Magnet Spektrometer

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1 Das Alpha Magnet Spektrometer

Das Alpha Magnet Spetrometer (AMS¹) ist ein f¨ur hochenergetische Teilchen spezialisier- ter Detektor und befindet sich seit dem 17.05.2011 auf der Internationalen Raumstation ISS. Die Aufgabe des Detektors ist es die Kosmische Strahlung mit bisher unerreichter Genauigkeit und Pr¨azision zu untersuchen. Nach ¨uber 2 Jahren Messzeit in der ¨uber 30 Milliarden Ereignisse detektiert und analysiert wurden, konnten im Jahr 2013 die ersten vielversprechenden Ergebnisse ver¨offentlicht werden. In Abbildung ist der Aufbau des AMS-Detektors gezeigt.

Abbildung 1.1: Computersimulation des AMS Detektors[CERN].

Der AMS-Detektors wurde 1995 von Samuel Ting, der f¨ur die Entdeckung des J/Ψ Teilchens 1974 den Nobelpreis erhielt, vorgeschlagen. Im Jahr 1998 wurde der Proto- typ AMS-01 w¨ahrend eines 10 t¨agigen Testlaufes an Bord des Spaceshuttles Discovery getestet. Allein in diesen 10 Tagen konnten ¨uber 100 Millionen Ereignisse detektiert werden. Der Bau des AMS-02 Detektors dauerte insgesamt 11 Jahre von 1999-2010 und besch¨aftigte ¨uber 600 Physiker aus 16 L¨andern und 59 verschiedenen Instituten.

Das KIT war dabei maßgeblich an der Entwicklung des ¨Ubergangsstrahlungsdetektors (TRD²) beteiligt. Nachdem im Jahr 2003 nach der Columbia Katastrophe das Spaces- huttle Programm einegestellt wurde, wurde der Shuttleflug f¨ur AMS02 erst 2008 geneh- migt. Am 16. Mai startete schließlich das Spaceshuttle Endeavour auf ihre letzte Mission und brachte den AMS- Detektor auf die ISS. Mit dem AMS Experiment erhofft man sich zum einen Hinweise auf die Existenz von Antimaterie Galaxien und zum anderen einen Fortschritt in der Suche nach der Dunklen Materie. Zum Zeitpunkt des Urknalls waren Materie und Antimaterie im Maßstab 1:1 vorhanden. Aufgrund der CP-Verletzung ist heute ¨uberwiegend Materie ¨ubriggeblieben. Mit dem AMS Experiment sucht man nach abgetrennten Bereichen im Universum die nur aus Antimaterie bestehen. Der Nachweis

1Alpha Magnet Spectrometer

2Transition Radiation Detektor

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eines einzelnen Antihelium- oder AntiKohlenstoffkerns w¨urde die Existenz solcher Anti- materiegalaxien beweisen, da Elemente h¨oherer Kernzahl nur duch Kernfusion in einem Antimateriestern entstehen k¨onnen. Die Dunkle Materie versucht es ¨uber den indirekten Nachweis zu finden indem es die annihilationsprodukte von potentiellen DM-Kandidaten, den sogennanten WIMPS detektiert. Da ein WIMP sein eigenes Antiteilchen ist, kann dieses mit sich selber Wechselwirken und in Teilchen des Standardmodells zerfallen. Die WIMPs lassen sich nun ¨uber deren Zerfallsprodukte nachweisen. Zum Beispiel k¨onnte ein signifikant h¨ohere Positronenanteil im Spektrum der Kosmischen Strahlung ein Hinweis auf die Dunkle Materie sein. Als Quellen der Kosmischen Strahlung kommen zum einen Supernovaeeplusionen in Frage und zum anderen Pulsare, Gase oder vielleicht auch die Dunkle Materie. Trifft die Schockfront einer Supernovaexplusuion auf bereits hochener- getische Teilchen, werden diese von dem Mitgef¨uhrten Gas der Schockwelle weiterbe- schleunigt und geraten wieder vor die Schockfront wo sie erneut beschleunigt werden k¨onnen. Pulsare sind Neutronensterne mit sehr hohen Rotationsgeschwindigkeiten, in Pulsaren und Supernovae werden haupts¨achlich Elektronen, Positronen und Photonen beschleinigt. Um die einfallenden Teilchen zu untersuchen besteht der AMS Detektor aus mehreren unabh¨angig voneinander arbeitenden Subdetektoren von denen hier nur die wichtigsten erl¨autert werden sollen.

1.1 Aufbau

1.1.1 ¨Ubergangsstahlungsdetektor

Der ¨Ubergangsstrahlungsdetektor besteht aus 20 Lagen die je aus 20 mm dickem Radia- torvlies bestehen. Unter jeder Lage Vlies sind Proportionaldrahtkammerr¨ohrchen ange- bracht die die ¨Ubergangsstrahlung mit Photomultipliern in ein elektrisches Signal um- wandeln. Bewegt sich eine Ladung auf ein Medum zu induziert es in diesem Medium eine Spiegelladung und bildet mit ihr einen ver¨anderlichen Dipol der Strahlung emit- tiert. Beim Phasen¨ubergang geht dieser Dipol verloren und es wird ¨Ubergangsstrahlung emittiert. Die Intensit¨at der ¨Ubergangsstrahlung ist proportional zum Lorentzfaktor γ =E/mc². Aufgrund der Abh¨angigkeit von der reziproken Masse der Teilchen eignet sich der ¨Ubergangsstrahlungsdetektor besonders gut zum Unterscheiden von Protonen und Positronen.

1.1.2 Flugzeitdetektor

Der Flugzeitdetektor besteht aus 4 Lagen von denen jeweils 2 ober und unterhalb des Magnetden angeordnet sind. 1 Element besteht aus 8 Szintillationsstreifen die aus Polyn- vinyltoluol hergestellt sind. Trifft ein Teilchen auf einen Szintillationsstreifen werden Mo- lek¨ule angeregt und Fluoreszenzlicht wird emittiert. Das Licht wird ¨uber Photomultiplier in ein elektrisches Signal umgewandelt. Da der Flugzeitdetektor die Teilchengeschwin- digkeit bis zu 98% der Lichtgeschwindigkeit bestimmen kann, eignet er sich besonders zur Geschwindigkeitsbestimmung von schweren Kernen.

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1.2 Spurdetektor

Der Spurdetektor besteht aus 9 Lagen aus doppelseitigen Siliziumstreifensensoren auf- gebaut sind. Insgesamt sind im Spurdetektor ¨uber 192 siliziumstreifensensoren verbaut.

Die Lagen 1 und 9 liegen außerhalb des Magneten um die Akzeptanz zu erh¨ohen. Mit dem Spurdetektor kann die Kr¨ummung im Magnetfeld bestimmt werden. Die Messgr¨oße der Kr¨ummung der Bahn ist die Rigidit¨at R. Mit den Siliziumstreifen kann der Durch- stoßpunkt im bestimmt werden.

1.3 Magnet

Im AMS Detektor ist ein Neodym-Eisen-Bor Magnet verbaut. Der Ferromagnet erzeugt ein homogenes gerichtetes Magnetfeld in eine Richtung. Mit der Laufzeitverl¨angerung der ISS bis 2028 hat sich die Entscheidung den urspr¨unglich geplanten Supraleitenden Magnet durch einen Permanentmagnet zu ersetzen nochmals rentiert.

1.4 Antikoinzidenzz¨ahler

Der Antikoinzidenzz¨ahler besteht aus 16 Szintillatorbahnen die zylindrisch zwischen Ma- gnet und Spurdetektor angeordnet sind. Mit dem Antikoinzidenzz¨ahler lassen sich seitlich einfallenden Teilchen zur¨uckweisen. Trifft ein Teilchen von der Seite auf die Szintilator- bahnen, erzeugt der Antikoinzidenzz¨ahler ein Vetosignal, welches daf¨ur sorgt, dass das Teilchen nicht f¨ur die Analyse gespeichert wird. Hochenergetische Teilchen k¨onnen durch Wechselwirkung in Materie Delta-Elektronen erzeugen. treffen solche Deltaelektronen im inneren des Detektors auf die Szintillationsstreifen wird das Ereignis trotzdem f¨ur die analyse gespeichert, da die Funktionsweise des Antikoinzidenzz¨ahlers an die der anderen Detektoren gekoppelt ist.

1.5 Ring abbildender Cherenkov Detektor

Der Detektor ist aus einer oberen Radiatorplatte mit unterschiedlichen Brechungsin- dices, ienem Zylinderf¨ormigen Spiegel und einer Ebene aus Photomultipliern in denen das Cherenkovlicht in eine elektrisches Signal umgewandelt wird. Fliegen die Teilchen in das Medium, werden die Atome l¨angs der Flugbahn kurzzeitig polarisiert. Aufgrund der Ladungsverschiebung der Atome bilden sich dipole welche elektromagnetische Wel- len emittieren. Ist die Geschwindigkeit der Teilchen schneller als die Geschwindigkeit des Lichts im Medium k¨onnen die Wellen nicht miteinander interferieren und es ent- steht die charakteristische Strahlung. Das Loch in der unteren Radiatorplatte ist daf¨ur Verantwortlich, dass die Teilchen ihre gesamte Energie erst im Elektromagnetischen Ka- lorimeter deponieren.

1.6 Das elektromagnetische Kalorimeter

Das elektromagnetische Kalorimeter besteht aus 9 Superlagen mit Lichtwellenleitern in dem Absorbermaterial, die je aus 11 Lagen 1mm dickem Blei aufgebaut sind. Das Funk- tionsprinzip des Kalorimeters basiert auf der Wechselwirkung der Teilchen mit Materie.

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Leptonen erzeugen einen elektromagnetischen Schauer, w¨ahrend Protonen einen hadro- nischen Schauer erzeugen. Durch die unterschiedlichen Schauersignaturen k¨onnen die Teilchen voneinander unterschieden werden.

1.7 Zusammenfassung

Mit dem AMS-Spektrometer ist es gelungen, die Kosmische Strahlung mit bisher uner- reichter Genauigkeit und Pr¨azision zu untersuchen. Durch Kombination der einzelnen Detektoren ist es m¨oglich die einzelnen Teilchen mit neuen Methoden voneinander zu unterscheide. So ist der AMS Detektor der einzige Teilchendetektor der zus¨atzlich zu der Energie noch die Masse und die Ladung des Teilchens bestimmen kann. 2013 wurden die ersten offiziellen vielversprechenden Ergebnisse ver¨offentlicht, welche einen Hinweis auf die Existenz von Dunkler Materie liefern. Eine Antiehelium oder ein Antikohlenstoff- kern konnte bisher noch nciht detektiert werden, woraus man schließen kann, dass keine Antimateriegalaxien existieren.

Abbildung 1.2: Positronenanteil der Kosmischen Strahlung. Ver¨offentlicht auf der ICRS 2013.

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