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KIT – University of the State of Baden-Wuerttemberg and
National Research Center of the Helmholtz Association
Institut für Experimentelle Kernphysik
www.kit.edu
Erste AMS-02 Resultate Karen Andeen, Wim de Boer, Iris Gebauer, Melanie Heil, Simon Kunz, Nikolay Nikonov,
Matthias Weinreuter, Valerio Vagelli, Markus Weber, Stefan Zeissler.
Ehemalige Doktoranden: Florian Hauler, Andreas Sabellek, Mike Schmanau
+ Diplomanden, Master, Bachelor
2 08.07.2013 Wim de Boer
Woraus besteht das Universum?
26% dunkle Materie
(=83% der gesamten
Materie)
5% bekannte Materie
aus dem Standard
Modell der Teilchen-
Physik)
69% dunkle Energie
Planck Satellite: http://arxiv.org/pdf/1303.5076v1.pdf
3 08.07.2013 Wim de Boer
Entdeckung der dunklen Energie (DE) (= Energieform mit abstoßender Gravitation)
Perlmutter, Schmidt, Riess, Nobelpreis 2011
Entdeckung der dunklen Materie (DM) (Zwicky, F. (1933-1937))
Suche nach DM (KIT):
Produktion im Labor (CMS Exp. am LHC )
Direkter Nachweis der DM (Edelweiss)
Indirekter Nachweis der DM (AMS Experiment
auf der Internationalen Raumstation ISS)
Übersicht
4 08.07.2013 Wim de Boer
Beschleunigte Expansion des Universums
Perlmutter,Schmidt und Riess haben Supernovae geblitzt und aus der Geschwindigkeit und Leuchtkraft die Expansion des Universums berechnet Nobelpreis 2011 für die Entdeckung der beschleunigten Expansion des Universums
5 08.07.2013 Wim de Boer
Hubble Bild der Supernova 1987A Explosion
aufgenommen am 6. Februar, 1998
Durch die Schockwelle
werden geladene Teilchen
enorm beschleunigt.
Diese hochenergetische
kosmische Strahlung ist
unsichtbar für das Auge,
aber die Rate ist enorm:
ca. 75 Teilchen pro m2 pro Sek.
(auf der Erde)
Diese Strahlung kann man
mit Teilchendetektoren
nachweisen.
SN Ia sind Standardkerzen, d.h. bekannte Leuchtkraft.
Aus gemessener Helligkeit kann man den Abstand bestimmen.
6 08.07.2013 Wim de Boer
Warum Vakuumenergie nach langer Zeit dominiert
Vakuumenergiedichte praktisch konstant. Materie- und Strahlungsdichte nehmen ab mit der Zeit.
7 08.07.2013 Wim de Boer
Entdeckung der dunklen Materie
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 der sichtbare Materie haben.
Lösung: es muss zusätzliche „dunkle“ Materie geben
8 08.07.2013 Wim de Boer
Unsere Galaxie: die Milchstraße
9 08.07.2013 Wim de Boer
Rotationskurve der Planeten der Sonne
Abstand zur Sonne R [AU]
Ge
sc
hw
ind
igk
eit
de
r P
lan
ete
n [k
m/s
]
Theorie
v MSonne/R
10 08.07.2013 Wim de Boer
Rotationskurve einer Galaxie
Aus der Umlaufgeschwindigkeit der Sonne berechnet man:
10x mehr Dunkle Materie als sichtbare Materie und großräumiger
verteilt . Dichte der dunkle Materie Teilchen bei der Erde ca.
1 WIMP/Kaffeetasse (WIMP = Weakly Interacting Massive Particle)
v2 MSonne/R R2 oder
DM 1/R2
11 08.07.2013 Wim de Boer
Colliding Clusters zeigen zwei Komponenten der Materie:
sichtbare und dunkle Materie mit nur schwacher Wechselw.
Rot:
sichtbares
Gas
Blau: dunkle Materie
aus Gravitations-
potential (gemessen durch
Gravitationslenseneffekt)
Aus Geschwindigkeiten kann man schließen, dass
„Bullet Cluster“ vorher mit einem anderen Cluster zusammen
gestoßen ist
Rot:
sichtbares
Gas
Blau:
dunkle Materie
aus Gravitations-
potential
12 08.07.2013 Wim de Boer
Simulation der “Colliding Clusters”
http://www.sciam.com/
August 22, 2006
13 08.07.2013 Wim de Boer
THERMAL HISTORY OF WIMPS
Thermal equilibrium abundance
Actual abundance
T=M/22 Com
ovin
g n
um
ber
density
x=m/T
Ju
ng
ma
nn
,Ka
mio
nko
wski, G
rie
st,
PR
19
95
WMAP -> h2=0.1130.009 ->
<v>=2.10-26 cm3/s
DM increases in Galaxies:
1 WIMP/coffee cup 105 <ρ>.
DMA (ρ2) restarts.
T>>M: f+f->M+M; M+M->f+f
T<M: M+M->f+f
T=M/22: M decoupled, stable density
(when annihilation rate expansion rate,
i.e. =<v>n(xfr) H(xfr) !)
Only assumption: WIMP = thermal
relict, d.h. produced in hot early
universe
14 08.07.2013 Wim de Boer
Indirekte Suche nach DM im Weltall
@http://theastronomist.fieldofscience.com/2010/05/dark-matter-confronts-observations.html
DM Teilchen sind elektrisch
ungeladen und können daher
eigene Antiteilchen sein.
Dies erlaubt Annihilation bei
Zusammenstoß. d.h. die DM
Teilchen werden vernichtet
und die Energie umgewandelt in
Materie und Antimaterie.
DM Vernichtung könnte starke
Quelle für Antimaterie sein!
Alle Details bekannt von Elektron-
Positron Vernichtung
(am LEP Beschleuniger studiert)
15 08.07.2013 Wim de Boer
DM > 80% der Materie, bestimmt also Schwerkraft. Sichtbare Materie (Gas) folgt.
Steinmetz, Potsdam
Bildung der Galaxien aus Dichteschwankungen
unter Einfluss der Schwerkraft
16 08.07.2013 Wim de Boer
DM Massenspektrum der Klumpen: 1/M2
Brauche geklumpte DM Halo, ansonsten Signal zu klein
Vorhersage für „Boostfactor“: 10-1000 (zu geringe Auflösung der
N-body Galaxiensimulationen
17 08.07.2013 Wim de Boer
18 08.07.2013 Wim de Boer
Canis Major Dwarf orbits from N-body simulations
to fit Monocerus Ring of Stars
Unsere Galaxie
kannabalisiert immer
noch Zwerggalaxien:
Gezeitenkräfte
auf der Innenseite
größer als Außenseite:
Zwerggalaxie wird
zerrüpft
Movie from Nicolas Martin, Rodrigo Ibata
http://astro.u-strasbg.fr/images_ri/canm-e.html
19 08.07.2013 Wim de Boer
Zusammenfassung bisher
Wie macht sich dunkle Energie bemerkbar?
beschleunigte Expansion des Universums (aus SN Ia)
Bestätigt durch Galaxienstruktur, Baryonische Akustische Oszillationen
Was macht sich dunkle Materie bemerkbar?
Galaxienbewegungen, Rotationskurven, Gravitationslinsen,..
Dies zeigt: DM Teilchen schwach wechselwirkend.
Daher WIMP genannt: Weakly Interacting Massive Particle
Indirekte Suche nach DM:
AMS Exp. (auf der ISS)
20 08.07.2013 Wim de Boer
Galaxie hat 3 Komponenten kosm. Strahlung (CR), Gas, WIMPS ()
Alle Streuprozesse aus Beschleunigerexp. bekannt:
I) CR + CR -> zu geringe Dichte
II) CR+Gas bekannt aus p+H2-> Antimaterie +X (Untergrund)
III) Antimaterie +X aus e+e- Antimaterie +X (Signal)
Energiespektren für Untergrund und Signal sehr unterschiedlich
Physikprogramm von AMS : Suche nach Antimaterie
Suche nach DM
Suche nach exotischen Formen der Materie
(z.B. Strangelets)
21 08.07.2013 Wim de Boer
Erwartungen für Kollisionen von WIMPS
m=800 GeV
Dunkle Materie Model von I. Cholis et al., arXiv:0810.5344
m=400 GeV
e± energy [GeV]
Po
sitr
on
An
teil
e+ /(e
+ +
e- )
0.1
10 102
maximale
Energie
gegeben durch
WIMP Masse
22 08.07.2013 Wim de Boer
WIMP WUNDER
Annihilationswirkungsquerschnitt aus der
Kosmologie: Größenordnung: 10-33 cm2
Streuwirkungsquerschnitt WIMP-Nukleon:
experimentelle Obergrenze: 10-44 cm2
Das leichteste Teilchen der Supersymmetrie
besitzt genau alle Eigenschaften eines WIMPS.
inklusive den vorhergesagten Größenordnung
des Annihilationswirkungsquerschnitts und einen
mehr als 10 Größenordnungen kleineren
Streuwirkungsquerschnitt
23 08.07.2013 Wim de Boer
Das Physikprogramm von AMS
Discoveries:
(1) Pulsar,
(2) Microwave,
(3) Binary Pulsars,
(4) X Ray sources,
solar neutrinos
(5) Dark Matter,
Dark Energy
… …
Hubble, Chandra, Fermi
WHIPPLE,
HESS,
VERITAS,
…
AUGER
SUPER K HiRes
g ,n
2. Charged components
gamma rays: AMS
24 08.07.2013 Wim de Boer
S.C.C. Ting January 5, 2007
Science on the ISS
AMS
DAS ALPHA-MAGNET-SPECTROMETER AUF DER
INTERNATIONALEN RAUMSTATION ISS SEIT MAI, 2011
SICHTBAR MIT BLOßEM AUGE IN KA AM 07.07.2013 UM 7:10:36
FÜR 6 MINUTEN UND 20 SEK.
(ISS APP ODER HTTP://ISS.DE.ASTROVIEWER.NET/BEOBACHTUNG.PHP)
24
ISS: 109 m x 80 m
Cost: $ 100 billion
Life time 20 years
25 08.07.2013 Wim de Boer
Totales Gewicht: 2008 t AMS : 7.5 t
Launch May 16, 2011, 08:56 AM
26 08.07.2013 Wim de Boer
Launch, 16.5.2011 at 8:56 am (European time)
27 08.07.2013 Wim de Boer
Launch
28 08.07.2013 Wim de Boer
Shuttle docked to ISS
29 08.07.2013 Wim de Boer
Endeavour docked to ISS
(photo during space walk)
30 08.07.2013 Wim de Boer
Endeavour docked to ISS
(photo during space walk)
31 08.07.2013 Wim de Boer
AMS-02 installiert auf der ISS
AMS-02
Astro- nauten
32 08.07.2013 Wim de Boer
600 Physiker, 60 Insititute, 16 Länder Bauzeit AMS-02: 10 Jahre
Spokesman Sam Ting Nobelprize 1976
started AMS
in 1994
33 08.07.2013 Wim de Boer
12.FEBRUARY 2010 - 16. FEBRAUARY 2010:
AMS-02 TRANSPORT FROM CERN, GENEVA TO ESTEC,
NOORDWIJK, NETHERLANDS
33
34 08.07.2013 Wim de Boer
AMS in the Maxwell EMI chamber at ESTEC
34
35 08.07.2013 Wim de Boer
NASA Shuttle Landing Facility
IATA: TTS – ICAO: KTTS – FAA: TTS
Summary
Elevation AMSL 10 ft / 3 m
Coordinates 28°36′54″N 80°41′40.2″W
Runways
Direction
Length Surface
ft m
15/33 15,000 4,572 Concrete
A US Air Force C-5 Galaxy
has been used for transport
from Geneva to KSC
September 2010
Prof. Wim de Boer – KIT Astronaut Day
36 08.07.2013 Wim de Boer
Payload Commander Andreas Sabellek von KIT vor Endeavour nach dem letzten Check von AMS in Endeavour
KIT verantwortlich für AMS nach dem Start
37 08.07.2013 Wim de Boer
Alpha Magnetic Spectrometer AMS-02
38 08.07.2013 Wim de Boer
AMS: A TeV precision, multipurpose spectrometer
Tra
cke
r
1
2
7-8
3-4
9
5-6
TRD Identify e+, e- , Z
Silicon Tracker Z, P
ECAL E of e+, e-, γ
RICH Z, E
TOF Z, E
Particles and nuclei are defined by their
charge (Z) and energy (E ~ P)
Z, P are measured independently by the
Tracker, RICH, TOF and ECAL
Magnet ±Z
(5x4x3m, 7500 kg)
39 08.07.2013 Wim de Boer
Teilchenidentifikation in AMS
40 08.07.2013 Wim de Boer
AMS Messungen der Nukleonen
Entries
H He
Li Be
B C
N O
F Ne
Na Mg
Al Si
Cl Ar K Ca Sc Ti V Cr P
S Fe
Ni
108
107
106
105
104
103
102
10
1
41 08.07.2013 Wim de Boer
Entstehung schwerer Kerne durch Fusion in Sternen
42 08.07.2013 Wim de Boer
Spallation eines Kohlenstoffatoms
Layer 1 = 6.1
TRD = 6.0
UTOF = 7.6
Inner = 4.8
LTOF = 5.2
RICH = 5.0
R = 10 GV
43 08.07.2013 Wim de Boer
Kosmische Strahlung in der Milchstraße
100 x 103 ly
40
x 1
03 l
y
1 x
10
3 l
y
27 x 103 ly
AMS
( B )
HALO
DISK
Kosmische Strahlung bildet Plasma geladener Teilchen, die sich so
bewegen, dass elektrische Feld null wird -> Art Brownsche Bewegung
Diffusion und Konvektion.
Spallation bei Durchgang durch die Scheibe -> B/C bestimmt wie lange CR
sich im Halo aufhalten und wie oft sie durch die Scheibe
44 08.07.2013 Wim de Boer
The AMS Detector November 23, 2007
RWTH, Aachen KIT, Karlsruhe
45 08.07.2013 Wim de Boer
TRD READOUT COMPUTERS
• Analog to digital conversion
• Data reduction:
Pedestal subtraction
Remove empty channels
•Format, send to next level
•Control High & Low Voltage
•Distribute command to UDR
•Combine Busy signals
•Distribute Trigger
5,248
Pulse
Heights
AMSWire
Busy
Trigger
Busy
Trigger
AMSWire
To next level
High & Low Voltage Control
5,248 Channels,
112 Voltages, 24 TRD Data Reduction
Computers (UDR)
4 Readout
Computers (JINF-U)
46 08.07.2013 Wim de Boer
TRD Elektronikexperten
Sabellek Hauler
Schmanau
47 08.07.2013 Wim de Boer
Kontrollraum für AMS am CERN
Schichten: 365 Tage/Jahr!
24h//Tag
48 08.07.2013 Wim de Boer
Wichtigste Aufgaben beim Schicht
Gasdruckkontrolle: Gas des TRDs kann bei
einem Leck entweichen-> AMS tot, ISS dreht
Temperaturkontrolle, denn Änderungen durch
Umlauf der ISS in 90‘, d.h. 45‘ Tag, 45‘ Nacht
Sonneneinfallswinkel ()
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
49 08.07.2013 Wim de Boer
Misalignment durch Temperatureffekte R
ela
tive V
ers
ch
ieb
un
g T
RD
-Tra
cker
[cm
]
M. Heil, Dr. Arbeit, KIT, 2013
Temperaturkontrolle, denn Änderungen
durch
50 08.07.2013 Wim de Boer
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 machen für Anflug/Abflug:
AMS muss mit weniger
elektrische Leistung auskommen
(Heizungen abschalten)
AMS Laptop auf ISS streikt:
Astronauten anrufen
ATV
Soyuz
Progress En
deavo
ur
51 08.07.2013 Wim de Boer
Cady Coleman startet AMS Laptop auf der ISS
52 08.07.2013 Wim de Boer
Endeavour Day 6: ISS tour
53 08.07.2013 Wim de Boer
ERSTE DATEN VON AMS-02
Nach 18 Monaten Datennahme im Weltraum hat AMS
>30 109 Ereignisse aufgezeichnet.
(>7 Millionen sind Elektronen oder Positronen)
Dies sind 10% der zu erwartenden Datenmenge
(Datenname bis 2029?)
54 08.07.2013 Wim de Boer
Selected for a
Viewpoint in Physics and
an Editors’ Suggestion
“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
Seit Publikation vor 3
Monaten: 46 x zitiert
55 08.07.2013 Wim de Boer
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
astrophysikalische Quellen, wie Pulsare. (Überschuss an
Positronen ist eigentlich zu groß für DM Signal)
ARD Tagesthemen am 03.04.2013
Wir brauchen mehr Daten um Abfall des Signals bei hohen
Energien untersuchen zu können.
56 08.07.2013 Wim de Boer
Positronverhältnis: e+/(e+ + e-)
M. Heil. Dr. Arbeit, 05.07.2013
57 08.07.2013 Wim de Boer
Einzelne Beiträge zum Positronverhältnis
Positron Fluss:
nimmt sehr stark ab
bei zunehmender
Energie.
Im Energieintervall
260-350 GeV nur
1 Positron / Woche
Fitte 3 powerlaws
58 08.07.2013 Wim de Boer
Untergrundreduzierung
M. Heil. Dr. Arbeit, 05.07.2013
59 08.07.2013 Wim de Boer
Vergleich mit anderen Experimenten
60 08.07.2013 Wim de Boer
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
Brauche Kombination aller Daten:
Positronen, Antiprotonen, Gammas
(und Kerne um Propagationsmodelle zu testen)
Erwartete Spektren aller Teilchen bekannt
(aus Beschleunigerexp. )
61 08.07.2013 Wim de Boer
AMS Himmelskarte der Gammastrahlung oberhalb 2 GeV
Geminga
Vela
62 08.07.2013 Wim de Boer
Zusammenfassung
Natur der dunklen Materie unbekannt
AMS sieht zu viele Positronen, aber die neue
Quelle könnte auch von Pulsaren stammen
Brauche mehr Daten um Abfall zu sehen und
Vergleich mit Antiprotonen und Gamma Spektren
Hoffnung:
Am LHC werden WIMPS entdeckt und AMS bestätigt,
dass diese neue Teilchen die WIMPs sind.
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