Search for cosmic ray antiparticles with balloon-borne and space borne experiments [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Philip von Doetinchem

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• Publié par: rheinisch-westfalischen_technischen_hochschule_-rwth-_aachen
• Publié le: 01 janvier 2009
• Nombre de lectures: 15
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Extrait

Search for Cosmic-Ray Antiparticles
with Balloon-borne and Space-borne
Experiments
VonderFakultätfürMathematik,InformatikundNaturwissenschaftenderRWTHAachen
UniversityzurErlangungdesakademischenGradeseinesDoktorsderNaturwissenschaften
genehmigteDissertation
vorgelegtvon
Diplom-Physiker
PhilipvonDoetinchem
ausMülheimanderRuhr
Berichter: UniversitätsprofessorDr. StefanSchael
UniversitätsprofessorDr. KlausLübelsmeyer
TagdermündlichenPrüfung: 14. Mai2009
DieseDissertationistaufdenInternetseitenderHochschulbibliothekonlineverfügbar.Abstract
Thisthesisdiscussestwodifferentapproachesforthemeasurementofcosmic-rayantiparticles
intheGeVtoTeVenergyrange.
Thefirstpartstudiestheprospectsof antiparticle flux measurementswith theproposedPEBS
detector. The project allots long duration balloon flights at one of Earth’s poles at an altitude
of40km. Thedetectorconsistsofatransitionradiationdetector,atimeofflightsystem,acom-
bined silicon and scintillating fiber tracker and an electromagnetic calorimeter. All detectors
are placed in a superconducting magnet which creates a field of 0.8T. Several flights are dis-
cussed starting from 2012 to get a total of 100 days measurement time with an acceptance of
20.4m sr. This work calculates the systematic effects due to interactions of cosmic rays in the
atmosphere. GEANT4 simulations were carried out which determine the atmospheric back-
ground and attenuation especially for antiparticles. Projected results taking the effects of the
atmosphereandthedetectorpropertiesintoaccountarediscussed.
The second part covers the AMS-02 experiment which will be installed in 2010 on the Inter-
national Space Station at an altitude of about 400km for about three years to measure cosmic
rays without the influence of Earth’s atmosphere. The detector consists of several subdetec-
torsfor thedeterminationof particle properties,namely atransition radiation detector,a time
of flight system, a cylindrical silicon tracker with eight layers surrounded by an anticoinci-
dence counter in a superconducting magnet with a field of about 0.8T strength, a ring image
ˇCerenkov detector and an electromagnetic calorimeter. The total acceptance with and with-
2 2outtheelectromagneticcalorimeteris0.095m srand0.45m sr,respectively. Thepresentwork
focuses on the anticoincidence counter system (ACC). The ACC is needed to reduce the trig-
ger rate during periods of high fluxes and to reject events with external particles crossing the
tracker from the side or with particles resulting from interactions within the detector which
havepossiblydisturbedchargeandmomentummeasurements. Thelastpointisespeciallyim-
portantforthemeasurementofantinucleiandantiparticles. TheACChasamodulardesignof
16 singularplastic scintillator panels which form acylinderaround thetrackerwithaa diam-
eter of 1100mm, a height of 830mm and a thickness of 8mm. The scintillator light is guided
bywavelengthshiftingandclearfiberstophotomultipliertubes. Thedetectorhastocopewith
several challenges: Fast response and stable operation in a high magnetic field are required.
The detectorhas towithstand a launch with a Space Shuttleinto space. The powerconsump-
tionisonly800mWandthetotalweightis54kg. Thequalificationandperformancetestsofthe
panels,fibers,photomultipliertubesandflightelectronicsaredescribed. TheACCdetectionef-
ficiencyforchargedparticlesisextractedfromtestbeamandatmosphericmuonmeasurements
andsimulations andentersasinputtotheantimatter measurementperformance. Inaddition,
theAMS-02possibilitiesforthedetectionofpositronsandantiprotonsarestudied.Zusammenfassung
Diese Arbeit diskutiert zwei verschiedene Ansätze zur Messung von Antiteilchen in der kos-
mischenStrahlungimGeVbisTeVEnergiebereich.
Im ersten Teil wird die Fähigkeit zur Messung des Antiteilchenflusses mit dem vorgeschla-
genen PEBS Detektor diskutiert. Das Projekt sieht Langzeitballonflüge an einem der Erd-
polein 40kmHöhevor. Der DetektorbestehtauseinemÜbergangsstrahlungsdetektor,einem
Flugzeitzähler, einer Spurkammer aus Silizium und szintillierenden Fasern und einem elek-
tromagnetischen Kalorimeter. Die Detektoren befinden sich innerhalb eines supraleitenden
Magneten, der ein Feld von 0.8T erzeugt. Es sollen beginnend von 2012 mehrere Flüge stat-
2tfinden,um insgesamt100TageMesszeitmit einer Akzeptanzvon0.4m srzu erreichen. Hier
werden die systematischen Effekte von Wechselwirkungen der kosmischen Strahlung in der
Atmosphäre berechnet. Dafür wurden GEANT4 Simulationen durchgeführt, die den atmo-
sphärischenUntergrundunddieatmosphärischeAbschwächunginsbesonderefürAntiteilchen
bestimmen. SimulierteDatenwerdenunterBerücksichtigungatmosphärischerEffekteundDe-
tektoreigenschaftendiskutiert.
DerzweiteTeilbehandeltdasAMS-02Experiment,das2010aufderInternationalenRaumsta-
tion in ca. 400km Höhe für drei Jahre installiert werden wird, um kosmische Strahlung ohne
denEinfluss derErdatmophärezu messen. Der Detektorbestehtebenfalls aus mehrerenSub-
detektoren,umdieTeilcheneigenschaftenzubestimmen. EshandeltsichumeinenÜbergangs-
strahlungsdetektor, einen Flugzeitzähler, eine zylindrische Siliziumspurkammer mit acht La-
gen umgeben von einem Antikoinzidenzzähler innerhalb eines supraleitenden Magneten mit
ˇ0.8TFeldstärke,einemRingbildCerenkovDetektorundeinemelektromagnetischenKalorime-
2 2ter. DieGesamtakzeptanzbeträgt0.095m srmitelektromagnetischenKalorimeterund0.45m sr
ohne. Dieser Teilder Arbeit konzentriertsich auf denAntikoinzidenzzähler (ACC). Der ACC
wird benötigt, um die Triggerrate in Phasen hohen Flusses zu reduzieren und um Ereignisse
mit externen Teilchen, die den Detektor von der Seite durchfliegen, oder mit Teilchen aus
Wechselwirkungen im Detektor zu verwerfen, wo eine saubere Ladungs- und Impulsbestim-
mung möglicherweise gestört ist. Der letzte Punkt ist besonders wichtig für die Messung
von Antikernen und Antiteilchen. Der ACC ist modular aus 16 einzelnen Kunststoffszintil-
lationszählern aufgebaut, die einen Zylinder um die Spurkammer mit einem Durchmesser
von 1100mm, einer Höhe von 830mm und einer Dicke von 8mm formen. Das Szintillation-
slichtwirdmitwellenlängenschiebendenundklarenFasernanPhotovervielfacherröhrenweit-
ergeleitet. Der Detektor hat einige Herausforderungen zu bewältigen: Schnelles Ansprechen
undstabilerBetriebineinemhohenMagnetfeld,derDetektormussnachdemStartmiteinem
Space Shuttle im Weltall funktionieren und die Gesamtleistung darf nur 800mW und das
Gewicht 54kg betragen. Es werden die Qualifikations- und Verhaltenstests der Szintillation-
szähler, Fasern, Photovervielfacherröhren und der Flugelektronik beschrieben und die ACC-
Detektionseffizienz für geladene Teilchen durch einen Strahltest, Messungen mit atmosphä-
rischen Myonen und Simulationen bestimmt. Diese Effizienz geht in die Bestimmung der
Fähigkeit zur Antimateriemessung ein. Zusätzlich werden die Möglichkeiten für Positron-
undAntiprotondetektionstudiert.Contents
1 Introduction 1
2 Astroparticle Physics 3
2.1 BasicsinParticlePhysics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2.2 BasicsinCosmologyandAstrophysics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.3 BeyondtheStandardModel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.3.1 Baryogenesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.3.2 DarkMatter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.3.3 IdeasforDarkEnergy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.4 ProbingParticlePhysicsandAstrophysicswithcosmicRays . . . . . . . . . . . . 10
2.4.1 Sources,AccelerationandPropagation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.4.2 CosmicRaysintheGeVtoTeVRange . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.4.3 UltrahighEnergycosmicRays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.4.4 SkyCoverage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3 The Balloon-borne PEBS Mission 25
3.1 Balloon-borneCosmic-RayExperiments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.2 ThePEBSExperiment. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.3 SimulationoftheInfluenceoftheAtmosphereonCosmic-RayMeasurements . . 27
3.3.1 PropertiesofEarth’sAtmosphere. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.3.2 SimulationofCosmic-RayMeasurementsintheAtmosphere . . . . . . . 33
4 The Space-based AMS-02 Mission 49
4.1 MissionOverview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.1.1 DetectorComponents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.1.2 MissionObjectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
4.2 TheAnticoincidenceCounter(ACC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
4.3 Fabrication,TestandIntegrationoftheAnticoincidenceCounterComponents . . 61
4.3.1 ProductionandTestoftheScintillatorPanels . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.3.2 ClearFiberCablesandCouplingOptimization . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4.3.3 SpaceQualification ofthePhotomultiplierTubes . . . . . . . . . . . . . . . 70
4.3.4 AnticoincidenceCounterSystemTest . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
4.3.5