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Die Suche nach Antimaterie(und die kosmische Strahlung)

Christoph [email protected]

10. Juni 2002

Ubersicht

1. Einleitung

2. Prinzipielle Suchmethoden

3. Die kosmische Strahlung

4. Zwei Experimente

5. Zusammenfassung

Die Suche nach Antimaterie 10.Juni 2002 Christoph Rosemann 1

Was ist Antimaterie?

Vorhersage Antiteilchen zum Elektron: Paul Dirac (1928)

Dirac-Gleichung (Fermionen): (p/−m)ψ = 0

E2 = p2 +m2 ⇒ E = ±√

p2 +m2

Entdeckung des Positrons:

Carl Anderson (1932)


Eigenschaften von Antimaterie

umgekehrtes Ladungsvorzeichen zu Materie

annihiliert mit Materie zu Strahlung

symmetrische Erzeugung von Materie und Antimaterie aus (genugend)Energie

(nahezu) symmetrische Vernichtung (CP - Verletzung)⇒ Sakharov - Argumente

Annahme (CPT - Theorem): alle Teilchen besitzen prinzipiell Antiteilchen(ντ noch nicht gefunden)


Thermische Geschichte des Universums

Entstehung des Universums in Urknall - seitdem Expansion


Enstehung der (Anti-) Materie

Hintergrund aus Entkopplung

Materie aus Nukleosynthese

konsistente Erklarung fur vielePhanomene


Experimentelle Bestatigungen

Hintergrundstrahlungund Strukturbildung

Expansion des Universums

Nukleosynthese der leichten Elemente – relative Haufigkeit

Verhaltnis H : He : D ≈ 10 : 1 : 10−7


Begrundung der Suche

Existieren vielleicht doch Antisterne oder Antigalaxien?

nur moglich, wenn Antimaterie und Materie streng getrennt

vielleicht vereinzelte “Kammern” aus Antimaterie in Halos von Galaxien?

in Galaxienebene: Population I und II – im Halo Population III


Baryonsymmetrisches Universum? ⇒ wo ist Antimaterie?

Verteilung in grossen, getrennten Bereichen

Signatur in der Hintergrundstrahlung

Vernichtung an Domanengrenzen abRekombination unvermeidlich

Signalstarke und -struktur hangt vonDomanengroße ab

bislang unter der Beobachtungsgrenze


Ubersicht

1. Einleitung



4. Zwei Experimente

5. Zusammenfassung


Direkte Suchmethoden

mit Detektor bestimmen:

• LadungBahnradius im Magnetfeld

• EnergieKalorimeter, . . .

• GeschwindigkeitToF, Cerenkov, . . .


Indirekter Nachweis: Annihilation

Nukleon - Antinukleon Vernichtung:

N +N →

π− → µ− + νµ

(µ−) → e− + νe + νµπ+ → µ+ + νµ

(µ+) → e+ + νe + νµπ0 → γ + γ

symmetrische π− – π+ – Erzeugung, etwa gleiche Anzahl von π0

Lebensdauern: π0 ∼ 10−16s, π± ∼ 2.6 · 10−8s, µ± ∼ 2 · 10−6s


Beispiel: Proton - Antiproton - Vernichtung

pro Vernichtung etwa 5-6 Pionen produziertEnergien und Haufigkeit der stabilen Produkte im Schwerpunktsystem

Teilchen Haufigkeit Anteil der totalen Energie mittlere Energiee± ∼ 3 ∼ 1/3 ∼ 100MeVνe, νe ∼ 3 ∼ 1/3 ∼ 100MeVνµ, νµ ∼ 6 ∼ 2/3 ∼ 100MeVγ ∼ 3 ∼ 2/3 ∼ 200MeV

(totale Energie in Protonenmassen)

γ – Photonen als Signal fur Vernichtung von Antimaterie brauchbar:relativ scharf definierte Energienγ - Maximum bei etwa 60MeV


Proton - Antiproton: (experimentelle Daten)

Multiplizitat

variiert kaum

Wirkungsquerschnitt

groß – Vernichtung wahrscheinlich

(im niederenergetischen Bereich !)


Beispiel: Elektron - Positron - Vernichtung

e+ + e− → γ + γ

wenig aussagekraftig, da zu niedrige EnergieEnergie im Schwerpunktsystem ∼ 0.5MeV pro γ

viele andere galaktische Phanomene erreichen ahnliche Energie

schon geringe Rotverschiebung reicht, um Signal unkenntlich zu machen

⇒ Signal “ertrinkt” im Untergrund


Zwischenergebnisse

Keine Antimaterie gesehen:

• auf der Erde

• im Sonnensystem

• in Milchstrasse

• (offenbar) in “naherer” Umgebung der Galaxie (etwa 20 Mpc)

Problem: 1r2 – Abfall der Photonenzahl und Rotverschiebung z = λ−λ0

λ0


Ubersicht

1. Einleitung



4. Zwei Experimente

5. Zusammenfassung


Kosmische Strahlung

Hauptquelle fur die Suchenach Antimaterie

Informationen aus allen Teilendes Universums (?)

Klarung prinzipieller Fragen:

1. Entstehung

2. Spektrum

3. Detektion


Gegenstand der Suche

Antikohlenstoff - Kern⇒ Antistern

α - Teilchen ⇒ primordiales Antihelium

Antiprotonen im wesentlichen aussagelos, weil sekundar produzierbar


primar: direkt aus Quelle stammende Strahlung

sekundar: aus Interaktion der primaren Komponente mit Materie

hauptsachlich positiv geladene Teilchen und hochenergetische Photonen

ab bestimmter Energie keine Bindung mehr an Galaxie(Gyroradius des Teilchens großer als Milchstrassenradius)

extragalaktische Komponente etwa ab 5 · 1015eV = 5 · 106GeVUntersuchungen von Meteroriten zeigen konstanten Fluß

Ausbreitung beeinflußt durch (weitgehend unbekannte) Magnetfelder


Energiespektrum

0.01

0.1

1

10

1011 1012 1013 1014 1015 1016 1017 1018 1019 1020 1021

E2.

7 dN/d

E

(cm

-2sr

-1s-1

GeV

1.7 )

(eV / nucleus)

HERARHIC

TEVATRON LHCfixed target

JACEE[11]Akeno[12]

Tien Shan[13]MSU[14]Tibet[15]

CasaMia[16]DICE[17]

HEGRA[18]CASA-BLANCA[19]

KASCADE[20]


Zusammensetzung


Sonneneinfluß

Sonne beeinflußt Strahlung die die Erde erreicht

direkt durch Sonnenwind

indirekt durch Beeinflussungder Magnetosphare


Beschleunigung

Fermimechanismen: Interaktion mit interstellaren und intergalaktischenMagnetfeldern

Supernova-Schockwellenbeschleunigung

Zyklotronmechanismen (Sonnenflecken, Fleckenpaare)


Detektion

geladene Teilchen:Elektron-Loch-Erzeugung in HalbleiterdetektorenIonisation: Gas-Detektoren (Proportionalkammern, etc.)Anregung: SzintillatorenBremsstrahlung: KalorimeterCherenkov-Strahlung: RICH, Photomultiplier

Photonen:kleine Energien (< 100keV ) uber Photoeffektmittlere Energien (100keV − 5MeV ) uber Compton-Streuunggroße Energien (> 5MeV ) uber Paarbildung


primare Strahlung nur im Weltall

auf der Erde Alternativen:HEGRA, KASCADE, ...


Experimente

1. BESS

(a) Aufbau(b) Eigenschaften(c) Ergebnisse

2. AMS

(a) Aufbau(b) Detektoren(c) Ergebnisse(d) AMS 01 und 02


BESS

Balloon-borne Experiment with a Superconducting Solenoidal Magnet

amerikanisch – japanisches Projekt

in 5 Flugen ≈ 58h Daten gesammeltaus 108 Ereignissen 2.9 · 106 selektiert

Flughohe 36.5km ↔ Massenbelegung 5g/cm2


BESS Aufbau


Bess Eigenschaften

JET Kammer:polar 200µm, in z 2cm

Driftkammern: polar 200µm

Magnet: 1T (±15%)Analysestarke BL2 = 0.28Tm2

ToF: 110ps− 280ps± 10%Akzeptanz (“Fenster”große) 0.32m2sr

Rigiditatsbereich 0.8− 16GV(Rigiditat: Impuls pro Ladung)

Material oberhalb Detektor: 20g/cm2


BESS Ergebnisse

Antiprotonenzahl mit sekundarer Erzeugung vertraglichkein Antihelium gefunden


Alpha Magnetic Spectrometer

europaisch – amerikanisch –asiatisches Projekt

Probeflug: AMS-011998 10 Tage im All

≈ 94h in 320− 390km HoheOrbit in 52o nordl. Breite

aus ≈ 108 Ereignissen2.86 · 106 selektiert

ab 2004 AMS-02 auf der ISS


AMS 01

Discovery

Space Shuttle Discoverythe AMS-01 carrier

Ams@Sts91Cpt_ww.eps

Silicon ∆y = 10 µ

Scin

tillators

Aerogel

NdFeBMagnetBL2 = 0.14 Tm2

Electronics70 000 channels

Low Energy Particle Shield

Vet

o C

ou

nte

rs

xyz

B

Q =

+Z

Q =

-Z

β:

p µ BL2/y

β:

http://ams.cern.ch/AMS/


Detektoren AMS 01

Silizium Tracker:∆y = 10µm∆x, z = 20µm

Magnet: 0.14TBL2 = 0.14Tm2

ToF: 105ps

Akzeptanz 0.35m2sr

Rigiditatsbereich 1− 140GV

Material oberhalb Detektor: 3.5g/cm2


Alpha Magnetic Spectrometer Event Display

Anti Proton from STS91momentum P @ 800 MeV/c

xyz

xyz

Ru

n 8

9707

7869

/ 219

68

Particle: GID=15 m= 1.0+-0.15, p=-0.8+-0.11, pat=17, status=22, beta=0.64+-0.052, betapat=1, charge= 1.0

Front Side

x y

z z

x

y

S1S2

S3S4

S1S2

S3S4

T1T2T3T4T5T6

T1T2T3T4T5T6

B B

gleiches Limit wie BESS: He/He ≈ 10−6

auch bei AMS 01: kein Antihelium


wesentliche Unterschiede AMS 01 – AMS 02

Magnet:

AMS 01: PermanentAnalysestarke BL2 = 0.14Tm2

AMS 02: supraleitendAnalysestarke BL2 = 0.86Tm2

TRD: Transition Radiation DetectorECal: Electromagnetic CalorimeterRICH Zahler statt AerogelSilizium Tracker voll bestuckt


Aufbau AMS 02

300 GeV

y2K

025m

a B

ecke

rCol

e- e+ P He

Tracker

TRD

TRD

RICHRICH

CalorimeterCalorimeter

± Q, P

P=mV, m=P/V

E:

V < C

V → C

e±, γ

Veto

B

TOF

TOF

pbkDat:capeTown@pbk:report_v0:DARK2002ww:

f02_ams02Detprinc.eps

a) b)


Ausblick AMS 02

ab 2004 AMS 2 auf der ISS – mehr als 1000d Daten sammeln:

untere Grenze des He/He - Verhaltnis um Faktor 100 - 1000 senken

untere Grenzen fur Verhaltnisse schwererer Atome (Z > 2) senken

auch extragalaktische Komponenten untersuchen

weitere Prazisionsmessungen der kosmischen Strahlung

Suche nach Dunkler Materie


ZusammenfassungZusammenfassung

• Trotz intensiver Suche bislang keine Antimaterie nachgewiesen

• obere Grenze fur He/He ≈ 10−6


die suche nach antimaterieweb.physik.rwth-aachen.de/~hebbeker/lectures/sem02/rosemann.pdf · die...

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