Alpha Magnetic Spectrometer

Alpha-Magnet-Spektrometer (AMS) ist die Bezeichnung für zwei modernere Teilchendetektoren zur Untersuchung der kosmischen Höhenstrahlung, die auf dem Space Shuttle (AMS-01) bzw. auf der Internationalen Raumstation (ISS) (AMS-02) zum Einsatz kamen, bzw. kommen sollen.

AMS-01

AMS-01 Experiment vor dem Einbau in die Raumfähre

Der Prototyp AMS-01 ist bereits 1998 während eines zehntägigen Fluges mit der Raumfähre Discovery (STS-91) erfolgreich getestet worden. Das AMS-01-Experiment war bei diesem Flug fest in den Laderaum der Raumfähre eingebaut.

Schon bei diesem kurzem Flug konnten die Spuren von über 100 Millionen geladenen Teilchen der kosmischen Höhenstrahlung vermessen werden. Hinweise auf Antimaterie wurden nicht gefunden, die bisherigen experimentellen Grenzen konnten aber deutlich verbessert werden. Insgesamt wurden etwa 3 Millionen Heliumatome detektiert. Darunter befand sich aber kein einziges Antiatom.

AMS-02

Computerdarstellung des AMS-02 Experiments auf der ISS.

Das AMS-02 Experiment ist ein moderner Teilchendetektor, der ab dem Jahre 2009 für einen Zeitraum von drei Jahren auf der Internationale Raumstation (ISS) die Zusammensetzung der kosmischen Höhenstrahlung vermessen soll. Durch den Absturz des Space Shuttles Columbia im Jahre 2003 hat sich der ursprüngliche Starttermin von 2003 auf frühestens 2009 verschoben. Während die NASA den Flug im Frühjahr 2007 noch aus Kostengründen streichen wollte ^[1] ist im Oktober 2008 ein Gesetz von Präsident Bush ^[2][3] unterzeichnet worden, welches der NASA unter anderem zusätzliche Mittel zur Verfügung stellt, um das AMS Experiment 2010 mit dem Space Shuttle auf die Internationale Raumstation zu bringen.

Wissenschaftliche Aufgaben

Zu den Aufgaben des AMS-02 Experimentes gehört die Suche nach Antimaterie, wie sie im Rahmen von einigen kosmologischen Modellen als Relikt aus dem Urknall erwartet wird. Der Nachweis eines einzigen Anti-Kohlenstoffatoms würde die Existenz von Sternen aus Antimaterie im Universum beweisen. Darüber hinaus ist das AMS-02 Experiment in der Lage, die Energiespektren von schweren Kernen bis hin zu Eisen zu vermessen. Diese Daten werden es ermöglichen, die Propagationsmechanismen von geladenen Teilchen in der Milchstrasse besser zu verstehen und damit den Schlüssel liefern, um mit großer Genauigkeit nach den Annihilationsprodukten von Dunkler Materie zu suchen. Im Rahmen von supersymmetrischen Modellen oder von Kaluza-Klein-Theorien werden Anomalien in den Energiespektren von Positronen, Antiproton und Photonen vorhergesagt, die mit AMS-02 möglicherweise nachgewiesen werden könnten.

Detektorbeschreibung

Konstruktionszeichnung des AMS-02 Experimentes

Das AMS-02 Experiment hat ein Gewicht von fast sieben Tonnen, die Abmessungen sind 3m x 3m x 3m und die geometrischen Akzeptanz beträgt 0,5 m²sr. Die zentrale Komponente des Detektors ist ein supraleitender Magnet der mit suprafluidem Helium auf 1.8 Kelvin gekühlt wird. Das Magnetfeld von 0.86 Tesla wird von zwei Dipol-Spulen erzeugt, die in ihrer Anordnung Helmholtz-Spulen ähneln. Um das Magnetfeld zu formen, werden 12 Race-Track-Spulen eingesetzt. Im Innenraum zwischen den Spulen befindet sich ein doppelseitig strukturierter Silizium-Streifendetektor mit einer aktiven Fläche von 6,5 m². Damit wird der Durchgang von geladenen Teilchen auf 8 Ebenen mit einer Einzelpunktauflösung von 0,010 mm vermessen. Die Flugbahnen von geladenen Teilchen werden in dem Magnetfeld gekrümmt. Anhand der Krümmung kann der Impuls der geladenen Teilchen und das Ladungsvorzeichen bis zu Teilchenenergien von 1000 GeV bestimmt werden. Die Stabilität des Spurdetektors wird mit Hilfe eines Laseralignmentsystems mit einer Präzision von 0,005 mm überwacht. Seitlich ist der Spurdetektor von dem Anti-Coincidence-Counter (ACC) umgeben, der den seitlichen Durchgang von geladenen Teilchen detektieren soll. Mit Hilfe eines Star-Trackers und eines GPS Empfängers wird die genaue Ausrichtung des Experimenets anhand von Fixsternen überwacht.

Um die Masse der geladenen Teilchen zu bestimmen, wird das Experiment nach oben durch einen Transition-Radiation-Detektor (TRD) und nach unten durch einen Ring-Image-Cherenkov Zähler (RICH) und ein elektromegnetisches Kalorimeter (ECAL) komplettiert. Um die Flugzeiten und damit die Geschwindigkeiten der Teilchen zu messen und die Ausleseelektronik der anderen Detektorkomponenten auszulösen, befinden sich ober- und unterhalb des Silizium-Spurdetektors ein Time-Of-Flight System (ToF) welches eine Zeitauflösung von 150 ps hat. Die von dem Experiment erzeugte Wärme von ca. 2000 Watt wird mit Hilfe von Radiatoren in den Weltraum abgestrahlt.

Organisation

AMS wird von einer internationalen Kollaboration, die 500 Physiker aus 56 Forschungsinstituten aus 16 Ländern umfasst, in enger Zusammenarbeit mit der NASA gebaut. Das Projekt wurde vom Nobelpreisträger Prof. Ting vom Massachusetts Institute of Technology initiiert, der es auch heute noch leitet. In Deutschland sind das I. Physikalische Institut der RWTH Aachen und das Institut für Experimentelle Kernphysik der Universität Karlsruhe (TH) an dem Experiment beteiligt. Die Forschungsarbeiten werden in Deutschland von dem DLR gefördert.

Siehe auch

• Gamma-ray Large Area Space Telescope
• PAMELA Experiment

Weblinks

• AMS Experiment, I. Physikalische Institut, RWTH Aachen
• AMS Experiment, Institut für Experimentelle Kernphysik, Uni. Karlsruhe (TU)
• AMS Experiment am CERN
• Veröffentlichungen der AMS Kollaboration

Quellen

1. ↑ Budget woes delay shuttle replacement to 2015
2. ↑ H.R. 6063, the "National Aeronautics and Space Administration Authorization Act of 2008
3. ↑ Nasa-Budget wächst rapide