Suche nach Antimaterie im Suche nach Antimaterie im Weltraum Weltraum

(1)

Suche nach Antimaterie im Suche nach Antimaterie im

Weltraum Weltraum

AMS AMS

(2)

Vortragsablauf:



Einleitung Einleitung



Vorstellung AMS 01 Vorstellung AMS 01



Ausblick/AMS 02 Ausblick/AMS 02

(3)

Einleitung:



Was sind Antiteilchen? Was sind Antiteilchen?



… … ein bisschen zur Historie ein bisschen zur Historie



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

Antimaterie zu geben?

(4)

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 Moment magnetisches Moment



Gleiche physikalische Gesetze wie für Gleiche physikalische Gesetze wie für

„normale“ Teilchen gültig

(5)

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 Energieanregung

Energieanregung



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

Antiteilchen, z.B. Photonen

Antimaterie=Zusammenfügen von

(6)

… … ein bisschen zur Historie ein bisschen zur Historie

 Energie eines Teilchens Energie eines Teilchens lässt sich berechnen zu lässt sich berechnen zu

 normalerweise wird normalerweise wird

positive Lösung gewählt positive Lösung gewählt

 Nach relativistischer Nach relativistischer Erweiterung von

Erweiterung von Quantenfeldtheorie Quantenfeldtheorie

Dirac postuliert 1927 Dirac postuliert 1927 Antiteilchen

Antiteilchen

4 2 2

2

c m c

p

E   

(7)

Liste aller bekannten Liste aller bekannten

Elementarteilchen/Antiteilchen

(8)

Frühere Experimente zur Detektion Frühere Experimente zur Detektion

von Antiteilchen von 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 Antiproton

Antiproton 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 Laboratory National Laboratory

(9)

… … weitere bisherige Experimente weitere bisherige Experimente



1995: CERN: Erzeugung von 1995: CERN: Erzeugung von Antiwasserstoffatomen

Antiwasserstoffatomen



Häufig: Häufig: Ballonexperimente Ballonexperimente



2. Juni 1998: Start der Discovery mit 2. Juni 1998: Start der Discovery mit AMS 01

AMS 01 an Bord an Bord

(10)

Experiment zur Beobachtung des Experiment zur Beobachtung des

Antiprotons Antiprotons

 S: Szintillationszähler; S: Szintillationszähler;

sprechen nur auf sprechen nur auf

Teilchen mit bestimmter Teilchen mit bestimmter

Energie an Energie 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:

1/40000 1/40000

(11)

Experiment zur Beobachtung des Experiment zur Beobachtung des

Antiprotons Antiprotons

 Erster Ablenkmagnet: Erster Ablenkmagnet:

wählt nur negative wählt nur negative

Teilchen aus Teilchen aus

 Zwischen SZwischen S₁₁ und S und S₂₂: : MM₂₂ als Impulsselektor als Impulsselektor

 Signal bei SSignal bei S₂₂ nur, nur, wenn Zeit zw. S

wenn Zeit zw. S₁₁ und und SS „passend“ „passend“

(12)

Experiment zur Beobachtung des Experiment zur Beobachtung des

Antiprotons Antiprotons

 Cerenkov-Zähler: Cerenkov-Zähler:

Geschwindigkeits- Geschwindigkeits-

abhängig zur abhängig zur Eleminierung Eleminierung

zufälliger Koinzidenz zufälliger Koinzidenz

CC₁₁unempfindlich unempfindlich gegenüber

gegenüber

Antiprotonen, C Antiprotonen, C₂₂

unempfindlich unempfindlich

gegenüber Mesonen gegenüber Mesonen

(13)

Ergebnis des Experiments zur Ergebnis des Experiments zur

Beobachtung des Antiprotons

(14)

Warum scheint es bei uns keine Warum scheint es bei uns keine

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 Überschusses

Überschusses



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

nicht messbar sind

(15)

Bisherige Nachweisversuche von Bisherige Nachweisversuche von

kosmischer Antimaterie kosmischer Antimaterie

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)

(16)

Bisherige Nachweisversuche von Bisherige Nachweisversuche von

kosmischer Antimaterie kosmischer Antimaterie

Direkt:

 Suche nach Suche nach AntiteilchenAntiteilchen in der kosmischen in der kosmischen Strahlung

Strahlung

 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 mehr höherenergetischen Bereich mehr

(17)

Bisherige Nachweisversuche von Bisherige Nachweisversuche von

kosmischer Antimaterie kosmischer Antimaterie



Überschuss könnte systematischer Überschuss könnte systematischer Messfehler sein

Messfehler 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)

(18)

Mögliche Quellen von Antiteilchen Mögliche 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, …

(19)

Motivation für AMS 01 Motivation für AMS 01



Vorteil: im Weltraum Vorteil: im Weltraum



Keine störende Atmosphäre Keine störende Atmosphäre



Höhere Präzision als bei Höhere Präzision als bei

vorangegangenen Versuchen vorangegangenen 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

gezeigt, dass keins bis 10 Mpc)

(20)

Motivation für AMS 01 Motivation für AMS 01



Messung des Anteils von Messung des Anteils von

Antimaterienukliden in deutlich höherer Antimaterienukliden in deutlich höherer

Genauigkeit Genauigkeit



Einsatz als Gammastrahlenteleskop Einsatz als Gammastrahlenteleskop

  Annihilation Annihilation

  Erforschung von weiteren Erforschung von weiteren Gammastrahlenquellen

Gammastrahlenquellen

(21)

Motivation für AMS 01 Motivation 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.

(22)

AMS 01

(23)

AMS 01

(24)

Aufbau von AMS 01 Aufbau von AMS 01

Nd-Fe-B Nd-Fe-B

Permanentmagnet:

 2,5 t2,5 t

 BB_max_max=0,14T=0,14T

 Dipolares FeldDipolares Feld

(25)

Aufbau von AMS 01 Aufbau von AMS 01

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)

(26)

Aufbau von AMS 01 Aufbau von AMS 01

ToF-Szintillatoren:

 Determinierung der Determinierung der Geschwindigkeit und Geschwindigkeit und

Richtung der Richtung der

einfallenden Teilchen einfallenden Teilchen

 Auflösung: besser als Auflösung: besser als 100 ps

100 ps

(27)

Aufbau von AMS 01 Aufbau von AMS 01

Antikoinzidenz- Antikoinzidenz-

Szintillatoren (ACC):

 Elimination seitlich Elimination seitlich eindringender

eindringender Teilchen

Teilchen

 Umgibt Silizium-Spur-Umgibt Silizium-Spur- Detektor zylindrisch Detektor zylindrisch

(28)

AMS 01

(29)

Aufbau von AMS 01 Aufbau von AMS 01

Aerogel Schwellen Aerogel Schwellen Cerenkov Zähler Cerenkov Zähler

(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)

(30)

Aufbau von AMS 01 Aufbau von AMS 01

Low Energy Particle Low Energy Particle

Shield:

 Unterdrückung des Unterdrückung des Untergrundes bis Untergrundes bis

E=5MeV E=5MeV

(31)

AMS 01

(32)

Ergebnisse von AMS 01:



90 Stunden Datenaufzeichnung 90 Stunden Datenaufzeichnung



Unterschiedliche 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 Kerne Identifiziert: e±, p, D, He, schwere Kerne



Kein Kandidat mit Z=-2 Kein Kandidat mit Z=-2



AntiHe/He < 1,110 AntiHe/He < 1,110

^-6^-6

(33)

Ergebnisse von AMS 01:



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

Nähe 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 auf

(34)

Ergebnisse von AMS 01

(35)

Aufgaben für AMS 02 Aufgaben für AMS 02



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

(36)

Hauptaufgabenfelder der RWTH Hauptaufgabenfelder der RWTH

Aachen Aachen



Detektorentwicklung Detektorentwicklung



Bau von Subdetektoren Bau von Subdetektoren



Physikalische Analyse der Daten Physikalische Analyse der Daten

(37)

AMS 02 auf der ISS

(38)

AMS 02

(39)

AMS 02 AMS 02

Supraleitender Magnet:

 Lebensdauer: 3 Jahre Lebensdauer: 3 Jahre ohne Nachfüllen

ohne Nachfüllen

 Dipolares magn. Feld Dipolares magn. Feld bei 0,87 T

bei 0,87 T

 Gewicht: 3tGewicht: 3t

(40)

AMS 02 AMS 02

SRD – Syncroton SRD – Syncroton

Radiation Detector Radiation Detector

 Ziel: Nachweis von Ziel: Nachweis von TeV Elektronen und TeV Elektronen und

PeV Protonen PeV Protonen

 Ladungsvorzeichen-Ladungsvorzeichen- bestimmung

bestimmung

(41)

AMS 02 AMS 02

 TRD – Transition TRD – Transition Radiation detector:

Radiation detector:

 Misst Misst

Geschwindigkeit Geschwindigkeit

 Messbereich bis 300 Messbereich bis 300 GeV für Protonen

GeV für Protonen

 Elektron/Hadron Elektron/Hadron

Trennung besser 10 Trennung besser 10^-3^-3

(42)

AMS 02 AMS 02

RICH: Ring Imaging RICH: Ring Imaging

Cherenkov Detector Cherenkov Detector

 Ziel: Ziel:

Ladungsbestimmung Ladungsbestimmung

bis Z=25 bis Z=25

 Geschwindigkeits-Geschwindigkeits- bestimmung

bestimmung

(43)

Zeitplanung Zeitplanung



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

2005 für 3-5 Jahre auf der ISS

