El experimento AMS: Un detector de partculas en el espacio

1
El experimento AMSUn detector de partículas en
el espacio

• Javier Berdugo
• CIEMAT-Madrid
• Coloquio en la Universidad Central de Barcelona
• 4 de marzo 2005

2
ÍNDICE

• MOTIVACION FÍSICA
• REVISIÓN DE LOS ESTUDIOS DE RAYOS CÓSMICOS
• EXPERIMENTO AMS
• OBJETIVOS
• ESTADO ACTUAL
• CAPACIDADES Y RESULTADOS ESPERADOS

3
FÍSICA Y ASTROFÍSICA DE PARTÍCULAS

• OBJETIVO
• Descubrir cuáles son las partículas
  fundamentales, a nivel subatómico, que compone la
  materia
• Establecer las leyes que las mantienen unidas y
  que determinan su comportamiento

MODELO ESTANDAR DE FÍSICA DE PARTÍCULAS
SU(3)?SU(2)?U(1) ? Sector de Higgs ? Parámetros
libres
4
COMPROBACIÓN EXPERIMENTAL
PDG 2002

• Extensiones del MS

5
CUESTIONES PENDIENTES

• Algunas razones para extender el modelo existente
• Existen muchos parámetros indeterminados en el
  modelo que han de fijarse mediante la
  experimentación
• Masas (amplio rango). Mecanismo de Higgs
• Constantes de acoplamiento
• Número de familias
• Origen y magnitud de la violación de la simetría
  CP
• Oscilaciones de neutrinos
• Desequilibrio materia-antimateria en el universo
• Naturaleza de la materia oscura (gt 90 de la
  materia del Universo)
• Naturaleza de la energía oscura (gt 70 del
  contenido del universo)
• Incorporación de la gravitación

6
DATOS EXPERIMENTALES

• Experimentos específicos de alta precisión
• Colisionadores (ee-, pp, ep)
• Máxima energía de producción
• Energías intermedias
• Parámetros del MS
• Test del MS
• Sector de Higgs
• Nueva física (SUSY, )
• CP, QCD, ??, quarks pesados, quark-gluon plasma

• Rayos Cósmicos (AGASA HiRes, BESS, ACCESS, L3C,
  Auger, CAPRICE, PAMELA, AMS)
• Rayos Gamma (EGRET, MAGIC, GLAST)
• Neutrinos (SuperK, AMANDA, ANTARES, NESTOR)
• CMB (Boomerang, DASI, WMAP, Plank)
• Ondas Gravitacionales (LIGO, VIRGO, Explorer,
  LISA)
• (Experimentos reconocidos por el CERN)

7
Experimento AMS
El propósito del experimento AMS es instalar un
detector de partículas en la ISS para realizar un
estudio de alta precisión de los rayos cósmicos

• Objetivos científicos
• Búsqueda de materia oscura
• Búsqueda de antimateria

8
AMS is an International Collaboration
56 Institutos (498 Physicists)
DENMARK
ITALY
ROMANIA
UNIV. OF AARHUS
ASI CARSO TRIESTE IROE FLORENCE INFN UNIV. OF
BOLOGNA INFN UNIV. OF MILANO INFN UNIV. OF
PERUGIA INFN UNIV. OF PISA INFN UNIV. OF
ROMA INFN UNIV. OF SIENA
ISS UNIV. OF BUCHAREST
CHINA
FINLAND
USA
BISEE (Beijing) IEE (Beijing) IHEP (Beijing) SJTU
(Shanghai) SEU (Nanjing) SYSU (Guangzhou) SDU
(Jinan) ACAD. SINICA (Taiwan) CSIST (Taiwan) NCU
(Chung Li) NCKU (Tainan) NCTU (Hsinchu) NSPO
(Hsinchu)
HELSINKI UNIV. UNIV. OF TURKU
RUSSIA
AM FLORIDA UNIV. JOHNS HOPKINS UNIV. MIT -
CAMBRIDGE NASA GODDARD SPACE FLIGHT CENTER NASA
JOHNSON SPACE CENTER UNIV. OF MARYLAND-DEPT OF
PHYSICS UNIV. OF MARYLAND-E.W.S. S.CENTER YALE
UNIV. - NEW HAVEN
KOREA
I.K.I. ITEP KURCHATOV INST. MOSCOW STATE UNIV.
EWHA KYUNGPOOK NAT.UNIV.
FRANCE
GAM MONTPELLIER LAPP ANNECY LPSC GRENOBLE
SPAIN
NETHERLANDS
GERMANY
CIEMAT - MADRID I.A.C. CANARIAS.
RWTH-I RWTH-III MAX-PLANK INST. UNIV. OF KARLSRUHE
ESA-ESTEC NIKHEF NLR
MEXICO
UNAM
SWITZERLAND
ETH-ZURICH UNIV. OF GENEVA
PORTUGAL
LAB. OF INSTRUM. LISBON
9
FÍSICA DE PARTÍCULAS LHC CERN
Programa experimental del LHC Sector
Higgs Extensiones del Modelo Estándar
(SUSY) Física de quarks pesados (bottom y
top) Quark-gluon plasma

• Tunel de LEP
• Ehaz 7 TeV
• Np / haz 1011
• Npaquetes 2835
• lt Lgt 1034 cm-2 s-1
• 4 puntos de interacción

10
Rayos Cósmicos Composición y Espectro

• Isótropo y constante para todos los elementos
• 99 hadrones p, He y Zgt2 (87121)
• 1 leptones e
• Similar a la composición observada en el sistema
  solar
• ? origen estelar
• Los elementos secundarios aparecen a partir de
  las interaciones de los núcleos sintetizados en
  las estrellas con el medio interestelar
• Amplio rango energético (108-1020 eV)
• Espectro exponencial suave con dos puntos de
  ruptura (Rodilla 1015 eV Tobillo 1019 eV).
• Aceleración Mecanismo de Fermi (difusión de los
  RC en el frente de choque de explosiones de SN).
  Eficiente hasta E Rodilla
• RC con E gt 1018 eV pueden contener una componente
  de RC de origen extragaláctico
• Sucesos observados con E 1020 eV está en
  conflicto con el límite GZK (interacción con CMB)
  

11
RC Propagación (modelización)
Parámetros

• Geometría y contenido de las galaxias
• Halo Lhalo
• Disco ISM, LISM
• Estrellas y gas H, He, ... nISM
• Dimensión hdisco
• B ( ?G)
• Rayos cósmicos
• Fuentes de producción
• Distribución espacial S(r,z)
• Composición H, He, C-O-N, Fe,
• Espectro Qj(E) qj0 R-? qj0, ?
• Proceso de propagación
• Interacción
• Pérdidas ? (i)
• Producción 2H, 3He, Li-Be-B, SubF ?(i?j)
• Desintegraciones
• Pérdidas energéticas
• Difusión K(R) K0 R-? K0, ?
• Convección Vc(z)

Maurin, et al. astro-ph/ 0212111
Fuentes exóticas (SUSY, PBH, Antipartículas)
12
RC Observables y estimadores
Observables

• Flujos, abundancias relativas y espectros
  energéticos
• Primarios (p, He, C, Fe, )
• Secundarios estables (2H, 3He, Li, Be, B, ...)
• Secundarios inestables (10Be/9Be, 26Al/27Al, )

Estimaciones de fondos

• Flujos, abundancias relativas y espectros
  energéticos
• antiprotones
• deuterio, antideuterio
• electrones, positrones

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RC Detección

• Condicionantes
• La atmósfera terrestre dificulta la detección
  directa desde tierra
• ? R-?
• ? (E gt 1011 eV) 1 part/m2/s
• ? (E gt 1018 eV) 1 part/km2/año

• Detectores

14
RC Deteccion directa
p
He
C-N-O
Fe
PRIMARIOS
e / (e e-)
SECUNDARIOS
ISÓTOPOS
15
RC Detección indirecta
Dificil identificación de la naturaleza de la
partícula Imprecisión en la determinación de la
escala de energía

• GZK cutoff

Son necesarias nuevas medidas desde 1018 eV
16
Status Experimental Sumario

• El espectro de los RC se ha determinado con
  precisión en el rango
• E lt 100 GeV/n Z lt 30
• La abundancia de los RC se han medido para
• Z lt 30 y para 30 lt Z lt 60 para Z par
• El espectro de los isótopos ligeros se ha medido
  para
• E lt 1 GeV/n

Un mayor conocimiento de la física de los RC
implica
Experimentos de Larga Duración Amplia
Aceptancia Alta Precisión
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AMS en la ISS
El propósito del experimento AMS es instalar un
detector de partículas en la ISS para realizar un
estudio de alta precisión de los rayos cósmicos

• El detector tendrá capacidad para detectar
  partículas con Z lt 20 y medir su espectro de
  energía hasta el rango de TeV
• La Estación Espacial Internacional (ISS) es la
  plataforma óptima para la observación y medida de
  rayos cósmicos
• (infraestructura, libre de contaminación, )

• AMS on the ISS
• Altitud de la órbita 400 km
• Potencia 2 kW
• Peso 7 T
• Tiempo de exposición gt 3 años

• Periodo de toma de datos superior a 3 años
• Posibilita abordar objetivos científicos que
  requieren la detección de señales con gran
  precisión

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Objetivos científicos

• Realizar un estudio exhaustivo de la naturaleza y
  composición de los rayos cósmicos y de la
  abundancia relativa de los isótopos de núcleos
  ligeros
• Estudios de Astrofísica
• Composición de las fuentes
• Mecanismos de aceleración
• Modelos de propagación

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Programa Experimental
El Experimento AMS forma parte del Programa
Científico de la Estación Espacial Internacional
y es el único experimento de Física de Partículas
actualmente aprobado para su instalación en la ISS
Aprobado (NASA - DOE MOU)
1995 (rev. 1999)

• La Colaboración AMS (a través del DOE) actúa como
  responsable de la construcción y funcionamiento
  del detector
• NASA aporta dos vuelos en el Transbordador
  Espacial

• Fase 1 Vuelo de pruebas
• Comprobar el funcionamiento del detector
• Estudiar el background en condiciones reales
• Junio 1998 STS-91 Mission
• (10-días)

• Fase 2 Transporte e Instalación en la ISS
• 3 años de toma de datos para realizar el programa
  de física
• Vuelo UF4.1 (finales del 2005)
• N.E.T. 2007

20
AMS-01
Detector AMS-01
Aceptancia Geométrica 0.30 m2 sr
Peso 3 T Potencia 1 kW
Integración en el ETH (Zurich 1997)
21
AMS-01 STS-91 Mission
Junio 1998 Lanzamiento a bordo del DISCOVERY
Sistema de Alineamiento del Tracker
22
AMS-01 STS-91 MISSION
Altitud 320-390 km Latitud 51 grados Perido 91
minutos Diferentes orientaciones
Parametros del vuelo
AMS-01 10 días de toma de datos Trigger rate
100 700 Hz 100 Millones de sucesos
23
AMS-01 Resultados
AMS-01 Proton Flux Phys. Lett. B 472 (2000)
Cosmic Protons, Leptons and Helium Phys. Lett. B
472 (2000) Phys. Lett. B 484 (2000) Phys. Lett.
B 490 (2000) Phys. Lett. B 494 (2000)
24
AMS-01 Resultados
Nuevos límites en la busqueda de antimateria
Search for Antihelium in Cosmic Rays Phys. Lett.
B 461 (1999)
25
AMS en la ISS AMS-02
Fase 2 Transporte e instalación en la ISS
Aceptancia geométrica 0.45 m2 sr
26
Condicionamientos adicionales

• AMS está basado en tecnologías actuales de
  detectores de física de partículas, pero
• Diseño
• Operación autónoma durante un largo periodo de
  tiempo (redundancia)
• Resistente a la radiación (ionización)
• Limitacion de peso y potencia
• Protegido frente a posibles impactos de
  micrometeoritos
• Pruebas adicionales
• Operación en condiciones de alto vacío y con
  grandes gradientes de temperatura
• Resistente al proceso de despegue y aterrizaje
  (vibraciones y aceleraciones)
• Liturgia espacial (SEGURIDAD)

27
AMS-02 IMÁN SUPERCONDUCTOR

• PROPÓSITO
• Proporcionar el poder de curvatura para
  distinguir /- Q hasta el rango del TeV

28
Y04K615 Harrison
29
AMS-02 IMÁN
2500 litros de He superfluido
30
Welding of the He tank
Vacuum Case
Radiation Shield
31
EADS, CRISA
CIEMAT-ETH-MIT
I459A
?T0.001C
y04K623a
32
AMS-02 TRACKER

• PROPÓSITO
• Determinación de la traza de las particulas
• Pitchx 110 ?m (?x 10 ?m)
• Pitchy 208 ?m (?Y 30 ?m)
• Determinación de la carga (Z) a través de la
  medida de la pérdida energética (dE/dx)

8 PLANOS DE SENSORES DE SILICIO 200.000 CANALES
33
AMS-02 TRACKER (Test beam)
Test de los ladders con m (E120GeV/c)
Test con iones en el CERN
34
AMS-02 TRACKER (TEST BEAM)
35
AMS-02 TRACKER (ALINEAMIENTO)
36
AMS-02 TOF

• PROPÓSITO
• Proporcionar el trigger del experimento
• 2 2 planos de centelleadores
• Determinación de la velocidad de las particulas
  por tiempo de vuelo
• ?(t) 120 ps, L 1 m
• Determinación de la carga (Z) a través de la
  medida de la pérdida energética (dE/dx)

Detector probado en AMS-01
37
AMS-02 TOF

• Cada plano compuesto por 8-10 centelleadores
  conectados a 2-3 fotomultiplcadores (Hamamatsu
  R5946) por cada extremo
• Orientaciones especificas de los
  fotomultiplicadores para no ser afectados por el
  campo magnetico

Los contadores de vuelo han sido producidos y
ensamblados
38
AMS-02 Contadores de Anticoincidencia

• PROPÓSITO
• Vetar a nivel de trigger sucesos que sufren
  interacciones secundarias en el detector
• Req Alta eficiencia y rápida respuesta en campo
  magnético

39
AMS-02 TRD

• PROPÓSITO
• Identificación de electrones-positrones
• Proporcionar un tracking adicional
• (20 puntos fuera del campo magnético)

V0.99999C
20 planos de TRD 4(x) 12(y) 4(x)
40
AMS-02 TRD
41
AMS-02 TRD (TEST BEAM)
20 planos de TRD en un haz de pruebas en el CERN
e/p gt 102 (90 eficiencia e-) hasta energías de
260 GeV
42
AMS-02 RICH
Partícula Carga Z Velocdad ?
CerenkovRadiator
Conical Reflector

• PROPÓSITO
• Medida precisa de la velocidad
• Medida de la carga (Z)

Photo- detectors

• Detección de fotones
• 10880 canales
• Hamamatsu PMT-7600-00-M16
• Ganancia 106 _at_ 800 V
• Eficiencia cuántica ? 20 en el rango 250-600 nm

• Reflector
• Estructura multicapa en un substrato de Fibra de
  Carbono

• Radiador
• 3 cm de Aerogel (n ? 1.05)
• 5 mm de NaF (n ? 1.33)
• Np.e. ? 10 (para Z1 ?1)
• ?umbral ? 0.751 (NaF)

43
AMS-02 RICH (TEST BEAM)
Ion Test Beam at CERN SPS
(Nov. 2003) Ion
fragmented
Espejo
Fotomultiplicadores/Guías de luz
Helium (Z2)
44
AMS-02 RICH (TEST BEAM)
Medida de la carga hasta Z 25
Velocidad (Z1) ?(?)/? lt1x10-3
45
AMS-02 ECAL

• PROPÓSITO
• Identificación de electrones, positrones y
  fotones
• Medida de la dirección y energía de las
  partículas
• Trigger de fotones

• Sandwich de plomo y fibras centelleadoras (16,4
  X0)
• 9 superlayers alternando muestreos en X / Y

z
particle direction
18.5mm
y
x
46
AMS-02 ECAL
Señal recogida con 324 PMTs multianódicos (2x2)
Pruebas de calificación
47
AMS-02 ECAL (TEST BEAM)
?/Ee- (10.20.3)/?(E) ? (2.310.05)
50 GeV e-
??68
48
AMS-02 Calendario

• Ensamblaje final de los subdetectores y pruebas
  de calificación (2005)
• Integración y pruebas funcionales del detector
  completo en el CERN a partir de 2006
• Pruebas de ciclado térmico en vacío en ESTEC
  (ESA) en 2007

• Integración en el KSC (2007)
• Lanzamiento e instalación en la ISS (N.E.T. Sep.
  2007)

49
Capacidad de detección de AMS-02
50
AMS-02 Medida de la Rigidity
Rigidity GV
51
AMS-02 Medida de Z

• La carga Z se determina
• por dE/dx en el TOF y en el Tracker
• por contaje de fotones en el RICH
• Hasta valores de Z 26 (Fe)

52
Identificacion de positrones y antiprotones

• Positrones
• TRD ZTOF (Q,Z)TRACKER
• RICH (E lt 10 GeV)
• ECAL (E gt 10 GeV)

Antiprotones QTRACKERTRD/RICH/ECAL
53
Detección de fotones
Calorímetro electromagnético
Tracker


54
Protones y helio
AMS medirá los flujos de H He hasta E 1 TeV
en 3 años recogerá ?108 H con E gt 100 GeV y
?107 He con E gt 100 GeV/n
55
AMS-02 Búsqueda de antimateria
En 3 años AMS detectará 109 He con E 1 TeV
56
Núcleos ligeros
AMS medirá el espectro hasta E 1 TeV/n en 3
años recogerá ?105 C con E gt 100 GeV/n y ?104 B
con E gt 100 GeV/n
57
Isótopos ligeros (1/3)
58
Isótopos ligeros (2/3)
59
Isótopos ligeros (3/3)
AMS separará 10Be (t1/2 1.51 Myr) de 9Be en el
rango 2 GeV/n lt E lt 10 GeV/n en 3 años recogerá
?105 10Be
60
Positrones y antiprotones
AMS medirá el flujo de antiprotones para E lt 200
GeV En 3 años recogerá ?106 antiprotones
61
Flujo de fotones
Medidas de rayos g hasta energías de 1000 GeV
Galactic Origin 3 years data
ExtraGalactic Origin 3 years data
90 gs de origen extragaláctico con energías
superiores a 100 GeV por año
62
SUMARIO AMS es un detector de partículas
diseñado con el propósito de medir los RC en el
espacio en un amplio rango energético con alta
capacidad de identificación de elementos con una
alta aceptancia La viabilidad técnica y
capacidades científicas del experimento se han
comprobado en un vuelo de pruebas en el shuttle
(AMS-01) El detector está actualmente en proceso
de construcción y será instalado en la ISS a
partir de 2008 Las medidas de AMS-02 durante un
periodo de 3 años permitirán determinar con alta
precisión los flujos de los componentes
elementales de los RC y abordar estudios que
requieren una alta estadística y un gran control
de los sistemáticos
63
(No Transcript)
64
AMS-02 TRACKER (producción)
65
AMS-02 Materia Oscura

• Heat Data a bump in energy at 7 GeV, no
  standard astrophysical interpretation of e/e-
  energy distribution
• Precise data extended to higher energies will be
  provided by AMS

m? ? 336 GeV
m? ? 130.3 GeV
66
Hydrogen

• 0.1 GeV lt E lt 100 GeV Spectrometers 5
• 100 GeV lt E lt 1 TeV Calorimeters 25
• 1 TeV lt E lt 1000 TeV Emulsion Chambers 25

1 GeV lt E lt 100 GeV
1 GeV lt E lt 1000 TeV
67
Helium

• 0.1 GeV/n lt E lt 100 GeV/n Spectrometers 10
• E gt 100 GeV/n Emulsion Chambers Poor
  statistics

E lt 100 GeV/n
E lt 100 TeV/n
68
Z gt 2

• Most precise measurements from HEAO-3 C2
  instrument
• Operated for 8 months in 1979 1980
• 7 million events with 4 ? Z ? 28
• Charge resolution 0.12 0.2 units
• Absolute fluxes from 0.6 to 35 GeV/n
• Systematic Errors 5

C N O
Fe
69
Secondary CR

• B/C and sub(Fe)/Fe measured for 0.1 GeV/n lt E lt
  35 GeV/n
• Precision of 5 for B/C and 10 for
  sub(Fe)/Fe
• Data consistent with 5 g cm-2 crossed by
  primary CR

B/C
(ScTiV)/Fe
70
Antiprotons

• Main hadronic antimatter expected in CR
• Deviations from secondary spectrum ? new physics
• World statistics ?2000
• Energy range 0.2 GeV lt E lt 50 GeV

? Data consistent with secondary production
71
Electrons Positrons

• Small ( ?1) but important component in CRs
• e- (? 90) directly injected at sources
• e produced by CR interactions with ISM (p?µ?e)
• Deviations from secondary spectrum ? new physics
• e- measured for E lt 1 TeV
• e measured for E lt 50 GeV
• Measurements differ by a
• 50 even for E lt 50 GeV
• Some systematics cancel in the
• e/(e e-) ratio

e/(e e-)
? Data inconclusive
72
Light Isotopes (1/2)

• Magnetic spectrometer measurements in the energy
  range
• D/p 0.2 GeV/n lt E lt 0.8 GeV/n
  3He/4He 0.1 GeV/n lt E lt 3.4 GeV/n
• Statistical errors ? 5 10
• Sensitive to propagation history of p and 4He

D/p
3He/4He
73
Light Isotopes (2/2)

• Radioactive nuclei ? Cosmic Ray Chronometers
  
• 10Be t1/2 1.51 Myr 26Al t1/2
  4.08 Myr
• Measurements in space E ? 100 MeV/n
• Balloon measurement 0.3 GeV/n lt E lt 2 GeV/n

10Be/9Be
26Al/27Al
74
Future Experiments

• SPACE-BORNE
• Calorimeter ACCESS (2007?)
• Magnetic Spectrometers PAMELA (2003)
  AMS-02(2005)

• BALLOONS
• Long Duration Flights (LDB) ATIC (2000, 2002)
• Ultra Long Duration (ULDB) CREAM (2003?)

Failure in ULDB March 2003 flight
75
(No Transcript)
76
HEAT Experiment