Samuel Ting

The Alpha Magnetic Spectrometer (AMS) on the International Space Station

Category: Lectures

Date: 29 June 2016

Duration: 27 min

Quality: HD MD SD

Subtitles: EN DE

Samuel Ting (2016) - The Alpha Magnetic Spectrometer (AMS) on the International Space Station

There are two types of cosmic rays traveling through space: neutral cosmic rays (light rays and neutrinos) which have been studied extensively by Hubble telescope, by PLANCK satellites and many other space-born and ground and underground experiments such as AUGER, HESS and IceCube

Good morning. When the chairman mentioned I received the Nobel Prize in �76 it suddenly reminded me, first time I was here I met Heisenberg, Dirac. And so it�s been many years since my wife and I came here and met a new set of distinguished physicists. What I would like to do today is share with you a particle physics experiment on the international space station. The international space station from one end to another end, from here to here, is 110 metres, from here to here it�s 80 metres, the weight 420 tons and the construction cost is about 10^11 dollars. On the space station at this moment there is a magnetic spectrometer, a particle physics detector. It is a precision physics detector to measure charged cosmic rays and study their characteristics. Let me mention the beginning of this field is done by the previous speaker. George, you probably remember this, your first experiment on search for cosmic antimatter, published in Physical Review Letters, July �75. And that was the first time, people had the vision to study charged cosmic rays with a magnetic spectrometer. And this was a superconducting magnet, really pioneering for this field. There are 2 kinds of cosmic rays travelling through space. Neutral cosmic rays, light rays and neutrinos can be measured with satellites, large ground-based and underground detectors. Charged cosmic rays: The Earth�s atmosphere is the equivalent to 10 meters of water. AMS, in space, measures directly the original properties of charged cosmic rays. On the ground, only the energy of cosmic rays can be studied by summing up their showers. So this is a very famous, very successful experiment led by Nobel Laureate James Cronin. And that is to measure the energy of charged cosmic ray shower with Pierre Auger Laboratory, using the fact that charged cosmic ray in the atmosphere produces many showers. So you have many, many detectors to measure the showers, summing up the showers, you know, the total energy. So this is the size of the detector, 68 kilometres by 68 kilometres, and for comparison this is the size of the city of Paris. And this is located in Argentina. Another very impressive experiment was to study extremely high-energy neutrinos with IceCube. And this is their control room in the South Pole, it is 1.4 kilometres below the ice. It�s 1 kilometre by 1 kilometre by 1 kilometre and it has 5,160 detectors. So what are the physics one can learn from AMS? Let me present you a few examples. One is the search for the origin of dark matter. We all know more than 90% of the matter in the universe is not observable, because you cannot see it you call it dark matter. The galaxy as seen by the telescope will look like this. But if you could see dark matter in the galaxy the galaxy may look like this. You cannot see dark matter but collision of dark matter, that we call neutralino, produces energies which turn into ordinary matter, such as positrons or antiprotons. This excess of positrons can be accurately measured by AMS. The excess of positrons is measured, called positron fraction. Namely the number of positrons normalise the total number of electron positrons. So if you plot the positron fraction against the positron or positron electron energy you have a ray produced by collision of ordinary cosmic rays. But if a neutralino or dark matter really exists collision of a neutralino produces positrons. So you have a spectrum like this. And the characteristics depend on the mass, and because the mass is finite at high energies you have a sharp drop-off. So this is the AMS detector, it�s 5 metre by 4 metre by 3 metre and weighs 7.5 tons. It was assembled and tested with very strong CERN support. It is a trillion electron volt particle physics detector. Cosmic rays are characterised by their charge, energy, or momentum. For the top is something called transition radiation detector. Then there are 9 layers of silicon detector and the bottom electromagnetic calorimeter and 2 layers of time of flight detector and this is a magnet and this is a ring imaging Cherenkov counter. So this, this, this, this and this all measure energy and charge. So energy and charge are measured independently by 4 detectors. For experiments in space you always need to remember if something goes wrong you cannot send a graduate student to fix it. This is an international collaboration with many countries, many institutes and many physicists. We have very strong support from CERN and from the United States Department of Energy. And from space agencies in the United States and Europe, in Italy, in Germany and in China. Before it was sent to space the most important thing we did was to test the detector extensively at the CERN accelerator. So we know what the response should be once it�s in space. So it was sent to space on May 16th, 2011. In 5 years in space we have collected 80 billion cosmic rays up to the energy of 1 trillion electron volts. So let me show you examples of some physics results. One is the search for the origin of dark matter. I already mentioned collision of ordinary cosmic rays would produce a curve like this as function of energy, a collision of dark matter would produce a curve like this. So this is our first measurement, the red points are data, awfully close to collision of dark matter. So this got newspaper people very excited, from New York Times, from Wall Street Journal, in Germany and in France. Everybody says, we have seen dark matter - not so. So now we have new results on positron fraction based on 11 million cosmic rays. Before this experiment normally people talk about a few hundred, and this is 11 million. With 11 million you can examine the following. First at low energy, the red curve and the green curve must agree with each other, otherwise you don�t know what you�re doing. Second thing is the rate of the increase must agree with the model. And a curve like this must have a turning point. And the force must drop down very quickly because of conservation of energy. So the first property, the energy at which it begins to increase. So this is collision of ordinary cosmic rays. Indeed, a very low energy in our measured data agreed with the collision of ordinary cosmic rays. But at this energy it suddenly goes away. This deviation from the traditional understanding of collision of cosmic rays shows the existence of something new has happened. We don�t know what it is but something new has happened. Second: With 11 million you really see very good agreement with collision of dark matter at very high energy. But you can also produce astrophysical sources to explain this data. The third is with this positron fraction you can measure its slope, the rate of change. You see the rate of change increases, flattens out, then drops to zero. When the slope goes to zero it means you have found the turning point. The maximum has been found, from now you will go down. What has not been settled is how quickly it can go down. So we have measured up to here and it will take a few more years to go to the highest energy because the rate is quite low. If it�s a dark matter model because of conservation of energy you go down quickly. If it�s a pulsar, a light ray goes in a strong magnetic field producing the electron positron pairs. So a pulsar will show a curve like this. So it will take a few more years to resolve the last part. Let me mention there are 3 independent methods to search for dark matter. The traditional method is called scattering. You do an experiment underground, make sure only neutralinos come in, you put a nuclei, you detect a recoil. And this is the traditional way people do search for dark matter. And then at LHC you do proton, proton, produce neutralino. In Space (AMS) you do neutralino, neutralino, produce positron, electrons. These 3 are all orthogonal methods and not correlated with each other. And you can visualise this by looking at the physics of electrons and protons. Electron and protons for scattering, electron and proton scattering, leading to the discovery of partons and electroweak theory. Production from proton, proton go to electron positron pair in many laboratories leading to quarks, the fifth quark, Z-, W-, and Higgs bosons. Annihilation, the electron positron go to particles, leading to psi and tau leptons. All these were awarded the Nobel Prize. And the fact you do not see tau in protons-proton collisions, does not mean it does not exist. Therefore if you do not see one reaction in here, that does not mean it does not exist. Let me then share with you some interesting results. These are the electron and positron spectra before AMS. And this axis the electron spectrum and these are the measurements in green. And this axis is positron spectrum in red for many, many experiments. These were the best measurements over the last 100 years. The data has large errors, they are not always in agreement with each other. And because of this large errors you created many theoretical models. This is an AMS result. This is the electron spectrum. And this is the positron spectrum. Positrons are on this axis, electrons on this axis. The data clearly exhibits different behaviour between the electron and positron, not only in magnitude but most importantly functional behaviour. And then we also measure protons. Protons are the most abundant cosmic rays. And these were the many, many measurements over the last 100 years. And because the errors are so large you created many, many models. This is the measurement from AMS and the accuracy in absolute value is 1%, based on 300 million events and this is the measurement as function rigidity. Rigidity means momentum per unit charge. The flux goes up, goes down, and suddenly changes behaviour. The conclusion is, the red point with our measurement and this is the traditional assumption, the spectrum is a power law. But the data agree with the theory until this point. Then it breaks away and that means you have a new unexpected phenomenon. This is the measurement of helium before AMS and the many, many measurements. Helium are the second most abundant cosmic rays and mostly produced in supernovas. So they were the best data over the 100 years. The data has very large errors and is therefore not consistent. This is a measurement from AMS because we have 7 independent detectors and thorough calibrators. And so we know, we can measure the spectrum to accuracy of 1%. This is based on 50 million events. The data again disagrees with traditional assumption, you have an unexpected new phenomenon as a function of rigidity. The most surprising result, and this will be published soon, is the antiprotons. So this is the spectrum of elementary particles in space. Of all the elementary particles there are only 4 that travel through space. And that is electrons, positrons, protons, antiprotons for charged particles because they have an infinite lifetime. The others decay quickly. Of all 4, 3 of them, antiproton, positron and proton, have the exact same energy dependence. And this is the ray, and this is the function of rigidity. And this is the proton flux and this antiproton flux, this is a positron flux. The absolute value is different but the functional behaviour is exactly the same. And you can look, antiproton to proton, the flux basically has a zero slope. And similarly to antiproton to positron, proton to positron, they somehow behave exactly the same. This axis of antiproton over collision of ordinary cosmic ray is a very important thing because this axis can not be explained from pulsars. A photon does not produce a proton-antiproton-pair in a strong magnetic field. So some new explanation is necessary. So for all the elementary particles traveling through space, antiproton, positron, proton have exactly the same energy dependence, but the electron is different. Very curious effect, up to a trillion electron volts. Now, to search for the origin of dark matter, I mentioned the collision of dark matter produced positrons, antiprotons. And these must be detected above the background from collision of ordinary cosmic rays. So now you study the signal. The next thing you need to do is to look at the background, to look at the property of ordinary cosmic rays. So the first thing you need to do is to measure the periodic table in space. We know the periodic table on the ground. And so you better make sure your detector can map out all the periodic table to a high accuracy. So this is the measurement of lithium. The red points are the AMS data. And these are the previous measurements. And lithium again cannot agree with traditional interpretation, you have the new phenomenon. And this is the measurement of carbon compared with the previous measurement. And this is the measurement of nitrogen, previously people saw structures and we do now see that. And these are accurate to 1%. So there are 2 kind of cosmic rays: produced from the sources, called primary, interact with interstellar media, called secondary. So oxygen is primary - this is an absolute measurement. And this is nitrogen, partially primary, partially secondary, and boron, completely secondary. You see they are characteristically different from each other. So that is where we are with search for dark matter. Now, another example is search for existence of antimatter, something started by George in �75. Now, the Big Bang origin of the universe required matter and antimatter to be equally abundant at the very hot beginning. And so we want to look where is the universe made out of antimatter. In the universe we see helium, carbon or the periodic table which I have already shown. The question is, is there somewhere far away an Antimatter Universe filled with antihelium, anticarbon? The detection of Antimatter Universe: Cosmic antimatter cannot be detected on Earth because matter and antimatter will annihilate each other. We are living under 10 metres of water. Matter and antimatter have opposite charges, so we need a magnetic detector to measure the charge of antimatter. Positives go one way, negatives go the opposite way. To do that the first thing you need to do is to understand your instrument and you produce the periodic table for all of them. We have done that and we now have 80 billion events. And by the time we have 100 billion events, we will begin to look for the antimatter. So the latest AMS measurement on positron fraction, the behaviour of fluxes of electrons, positrons, protons, helium and other nuclei is providing new, precise, and unexpected results. None of our measurements will produce previous results or will have been predicted by previous models. So once it is on the space station, it stays there because there is no more space shuttle to bring it back. So it stays there forever, for the lifetime of the space station. And so we will continue very accurate measurement to look how quickly it drops down and then search for existence of antimatter and search for new phenomenon. Like the previous speaker just mentioned, cosmos is the ultimate laboratory. Cosmic rays can be observed at energies higher than any accelerator. But the most exciting objective of AMS is to probe the unknown, so far all our measurements do not reproduce previous measurements, and to search for phenomena which exist in nature that we have not yet imagined nor had the tools to discover. Now let me show you a video, how this detector is assembled. Could I please have the video? This is to reduce 16 years into 3 minutes. Going to European Space Agency to do tests under simulated space conditions in the thermal vacuum chambre. Tests in the test beam. Testing in 2000 directions. Sent to Kennedy Space Centre. This is in Kennedy Space Centre. This to make sure it fits into the space shuttle. (Laughter) This is inside the space shuttle. Sent to space. The total weight is 2000 tons at lift off to carry 7.5 tons to space. This take us off, put on the space station. Install on the space station. Ok, that�s fine, thank you. You can stop now. (Laughter) Thank you.

Guten Morgen. Als der Vorsitzende erwähnte, dass ich den Nobelpreis im Jahr 1976 erhielt, erinnerte ich mich plötzlich daran, dass ich, als ich hier zum ersten Mal war, Heisenberg und Dirac traf. Es sind viele Jahre vergangen, seit meine Frau und ich hierhin kamen, und eine Reihe von neuen, ausgezeichneten Physikern trafen. Heute möchte ich Ihnen ein Teilchenphysikexperiment nahebringen, das auf der Internationalen Raumstation durchgeführt wird. Die Internationale Raumstation ist von einem Ende zum anderen, von hier bis hier, 110 Meter lang, von hier bis dort sind es 80 Meter. Sie wiegt 420 Tonnen und die Baukosten betrugen etwa 10^11 Dollar. Auf der Raumstation befindet sich derzeit ein Magnetspektrometer, ein Teilchenphysikdetektor. Es ist ein Präzisions-Physikdetektor, der geladene kosmische Strahlung misst und ihre Eigenschaften untersucht. Lassen Sie mich erwähnen, dass dieses Gebiets mit dem vorherigen Vortragenden begann. George, Sie erinnern sich wahrscheinlich an Ihr erstes Experiment auf der Suche nach kosmischer Antimaterie, veröffentlicht in Physical Review Letters im Juli ’75. Das war das erste Mal, dass Wissenschaftler die Vision hatten, geladene kosmische Strahlung mit einem Magnetspektrometer zu untersuchen. Es war ein supraleitender Magnet, wirkliche Pionierarbeit auf dem Gebiet. Es gibt 2 Arten kosmischer Strahlung, die durch den Raum reist. Neutrale kosmische Strahlen, Lichtstrahlen und Neutrinos können mit Satelliten, großen erdgebundenen Detektoren und Untergrunddetektoren gemessen werden. Geladene kosmische Strahlung: Die Erdatmosphäre entspricht 10 Meter Wasser. Im Raum misst AMS die ursprünglichen Eigenschaften der kosmischen Strahlung direkt. Am Boden kann nur die Energie der kosmischen Strahlung untersucht werden, wenn man ihre Lawinen aufsummiert. Dies ist ein sehr berühmtes, sehr erfolgreiches Experiment, das vom Nobelpreisträger James Cronin geleitet wurde. Und es misst die Energie der geladenen kosmischen Strahlungslawinen mit dem Pierre-Auger-Labor, indem es die Tatsache nutzt, dass geladene kosmische Strahlen in der Atmosphäre viele Lawinen verursachen. Man hat hier viele, viele Detektoren, um die Lawinen zu messen, die Lawinen aufzusummieren, dann kennt man die Gesamtenergie. Das ist die Größe des Detektors, 68 Kilometer mal 68 Kilometer, und das ist zum Vergleich die Fläche der Stadt Paris. Es befindet sich in Argentinien. Ein weiteres, sehr eindrucksvolles Experiment ist die Untersuchung von Neutrinos von extrem hoher Energie mit IceCube. Und dies ist ihr Kontrollraum am Südpol, es befindet sich 1,4 Kilometer unter Eis. Es ist 1 Kilometer mal 1 Kilometer mal 1 Kilometer groß und besitzt 5.160 Detektoren. Welche Physik kann man von AMS lernen? Lassen Sie mich ein paar Beispiele präsentieren. Eins ist die Suchen nach dem Ursprung der dunklen Materie. Wir alle wissen, dass mehr als 90 % der Materie im Universum nicht beobachtbar ist. Weil man sie nicht sehen kann, wird sie dunkle Materie genannt. Die Galaxie sieht durch ein Teleskop so aus. Aber wenn wir die dunkle Materie in der Galaxie sehen könnten, sähe es vielleicht so aus. Man kann dunkle Materie nicht sehen, aber Stöße der dunklen Materie, die wir Neutralino nennen, erzeugen Energie, die sich in normale Materie umwandelt, wie Positronen und Antiprotonen. Dieser Überschuss an Positronen kann durch AMS genau gemessen werden. Der Überschuss der Positronen wird gemessen, genannt Positron-Bruchteil. Das heißt, die Anzahl der Positronen normalisiert mit der Gesamtzahl der Elektron und Positronen. Also wenn man den Positron-Bruchteil gegen das Positron oder die Positron-Elektron-Energie aufträgt, dann hat man eine Strahlung, die durch Stöße der normalen kosmischen Strahlung produziert wird. Aber wenn ein Neutralino oder dunkle Materie wirklich existiert, dann erzeugen Stöße eines Neutralinos Positronen. Man hat also ein solches Spektrum. Und die Eigenschaften hängen von der Masse ab, und weil die Masse endlich ist, hat man bei hohen Energien einen scharfen Knick nach unten. Dies ist der AMS-Detektor, er ist 5 Meter mal 4 Meter mal 3 Meter groß und wiegt 7,5 Tonnen. Er wurde zusammengebaut und getestet mit sehr viel Hilfe des CERN. Es ist ein Billionen-Elektronenvolt-Teilchenphysikdetektor. Kosmische Strahlung wird durch ihre Ladung, Energie oder Impuls charakterisiert. Oben ist etwas, das Übergangsstrahlungsdetektor genannt wird. Dann gibt es 9 Lagen eines Siliziumdetektors, unten ein elektromagnetisches Kalorimeter und 2 Lagen Flugzeitdetektor und hier ein Magnet und dies ist ein Ring-Abbildungs-Tscherenkow-Detektor. Dies, dies, dies und dies, alle messen Energie und Ladung. Energie und Ladung werden daher unabhängig durch 4 Detektoren gemessen. Bei Experimenten im Raum muss man immer daran denken: wenn etwas schief geht, kann man keinen Doktoranden schicken, um es zu reparieren. (Lachen) Dies ist eine internationale Zusammenarbeit mit vielen Ländern, vielen Instituten und vielen Physikern. Und es gab sehr viel Unterstützung vom CERN und dem Energieministerium der USA. Und von Raumfahrtagenturen in den USA und Europa, in Italien, in Deutschland, und China. Bevor es in den Raum geschickt wurde, war das Wichtigste, den Detektor ausführlich am CERN zu testen. Damit wir wissen, was der Response sein sollte, wenn es erst einmal im Raum ist. Es wurde am 16. Mai 2011 in die Umlaufbahn geschickt. In 5 Jahren im All haben wir 80 Milliarden kosmische Strahlen mit Energien bis zu 1 Billion Elektronenvolt aufgefangen. Lassen Sie mich Beispiele einiger physikalischer Ergebnisse zeigen. Eins ist die Suche nach dem Ursprung der dunklen Materie. Ich erwähnte schon, Stöße kosmischer Strahlen würden eine Kurve wie diese als Funktion der Energie produzieren, ein Stoß dunkler Materie würde solch eine Kurve produzieren. Dies ist unsere erste Messung, die roten Punkte sind Daten, schrecklich nah bei Stößen dunkler Materie. Das begeisterte die Presse sehr, von der New York Times zum Wall Street Journal, in Deutschland und Frankreich. Jeder sagt, wir haben dunkle Materie gesehen. Dem ist nicht so. Jetzt haben wir neue Ergebnisse für den Positron-Bruchteil, basierend auf 11 Millionen kosmischer Strahlen. Vor diesem Experiment würden Wissenschaftler über ein paar hundert gesprochen haben, und das sind 11 Millionen. Mit 11 Millionen kann man Folgendes untersuchen: Zuerst müssen bei niedriger Energie die rote Kurve und die grüne Kurve miteinander übereinstimmen, sonst weiß man nicht, was man macht. Das zweite ist, dass die Zuwachsrate mit dem Modell übereinstimmen muss. Und so eine Kurve muss einen Wendepunkt haben. Und viertens: Die Kurve muss wegen der Energieerhaltung sehr schnell abklingen. Also die erste Eigenschaft: die Energie, bei der sie anfängt anzusteigen. Dies ist ein Stoß normaler kosmischer Strahlen. Tatsächlich stimmte eine sehr niedrige Energie in unseren gemessenen Daten mit dem Stoß normaler kosmischer Strahlen überein. Aber bei dieser Energie weicht es plötzlich ab. Diese Abweichung vom traditionellen Verständnis der kosmischen Strahlen zeigt die Existenz von etwas Neuem, das passiert ist. Wir wissen nicht, was es ist, aber etwas Neues ist passiert. Zweitens: Bei 11 Millionen Ereignissen sieht man eine wirklich gute Übereinstimmung mit Stößen dunkler Materie bei sehr hoher Energie. Aber astrophysikalische Quellen können auch diese Daten erklären. Drittens: Mit diesem Positronenbruchteil kann man die Steigung messen, die Änderungsrate. Sie sehen, die Änderungsrate steigt, wird flacher, fällt dann nach Null. Wenn die Steigung Null wird, bedeutet das, dass man den Wendepunkt gefunden hat. Das Maximum wurde gefunden, von jetzt geht man nach unten. Wie schnell es nach unten gehen kann, ist noch nicht geklärt. Wir haben jetzt bis hier gemessen, und es werden einige weitere Jahre vergehen, um zur höchsten Energie zu gelangen, weil die Rate sehr niedrig ist. Wenn es ein Dunkle-Materie-Modell ist, fällt wegen der Energieerhaltung die Kurve schnell ab. Wenn es ein Pulsar ist, ein Lichtstrahl kommt in ein starkes Magnetfeld und erzeugt ein Elektron-Positron-Paar. Ein Pulsar zeigt eine solche Kurve. Es wird noch ein paar zusätzliche Jahre benötigen, den letzten Teil zu lösen. Lassen Sie mich erwähnen, es gibt 3 unabhängige Methoden, nach dunkler Materie zu suchen. Die traditionelle Methode wird Streuung genannt. Man führt ein Experiment unter der Erde durch, stellt sicher, nur Neutralinos können hereinkommen, man hat einen Kern, man detektiert einen Rückstoß. Dies ist der traditionelle Weg, auf dem Wissenschaftler nach dunkler Materie suchen. Und dann hat man am LHC Proton-Proton-Stöße, die ein Neutralino erzeugen. Im Raum (AMS) hat man Neutralino-Neutralino-Stöße, die Positronen erzeugen, Elektronen. Diese 3 sind unabhängige Methoden und nicht miteinander korreliert. Man kann das visualisieren, indem man sich die Physik der Elektronen und Protonen ansieht. Elektronen und Protonen für die Streuung, Elektron- und Protonenstreuung, die zur Entdeckung der Partonen und der elektroschwachen Theorie führt. Erzeugung von Proton-Proton-Streuung ergibt ein Elektron-Positron-Paar. In vielen Laboren führt das zu Quarks, dem fünften Quark, Z-, W- und Higgs-Bosonen. Zerstrahlung, die Elektron-Positron-Streuung führt zu Teilchen, die zu Psi- und Tau-Leptonen führen. All diese wurden mit dem Nobelpreis belohnt. Und die Tatsache, dass man in Proton-Proton-Zusammenstößen keine Taus sieht, heißt nicht, dass es sie nicht gibt. Wenn man daher eine Reaktion hier nicht sieht, heißt das nicht, dass es sie nicht gibt. Lassen Sie mich einige interessante Ergebnisse mitteilen. Dieses sind die Elektron-Positron-Spektren vor AMS. Und diese Achse ist das Elektronspektrum und dieses sind die Messungen in Grün. Und diese Achse ist das Positronspektrum in Rot für viele, viele Experimente. Dieses waren die besten Messungen während der vergangenen 100 Jahre. Die Daten haben große Fehler und stimmen nicht immer miteinander überein. Und wegen dieser großen Fehler wurden viele theoretische Modelle entwickelt. Dies ist ein AMS-Ergebnis. Das ist ein Elektronspektrum. Und dies ist ein Positronspektrum. Die Positronen sind auf dieser Achse, Elektronen auf dieser Achse. Die Daten zeigen klar ein unterschiedliches Verhalten der Elektronen verglichen mit den Positronen, nicht nur in der Höhe, sondern am wichtigsten im Verhalten der Funktion. Und dann haben wir auch Protonen gemessen. Protonen sind die häufigsten kosmischen Strahlen. Dieses waren die vielen, vielen Messungen während der vergangenen 100 Jahre. Und weil die Fehler so groß sind, wurden viele, viele Modelle entwickelt. Dies ist die AMS-Messung und die Genauigkeit im absoluten Wert ist 1 %, basierend auf 300 Millionen Ereignissen. Und dies ist die Messung als Funktionssteifigkeit. Steifigkeit bedeutet Impuls pro Einheitsladung. Der Fluss steigt, geht herunter, ändert plötzlich sein Verhalten. Der Schluss ist: Die roten Punkte sind unsere Messungen und dies ist die traditionelle Annahme, das Spektrum ist ein Potenzgesetz. Aber bis zu diesem Punkt stimmen die Daten mit der Theorie überein. Dann weicht die Kurve ab und das heißt, man hat ein neues, unerwartetes Phänomen. Und dies ist die Messung des Heliums vor AMS und viele, viele Messungen. Helium sind die zweithäufigsten kosmischen Strahlen und hauptsächlich in Supernovae produziert. Diese waren die besten Daten während der vergangenen 100 Jahre. Die Daten haben große Fehler und sind daher nicht konsistent. Dies ist eine AMS-Messung, weil wir 7 unabhängige Detektoren und gründliche Kalibrationen dort haben und daher wissen wir, dass wir das Spektrum mit einer Genauigkeit von 1 % messen können. Dies basiert auf 50 Millionen Ereignissen. Die Daten stimmen wieder nicht mit traditionellen Annahmen überein: man hat ein unerwartetes neues Phänomen als Funktion der Steifigkeit. Das überraschendste Ergebnis, das in Kürze veröffentlicht wird, sind die Antiprotonen. Dies ist das Spektrum der Elementarteilchen im Raum, nur 4 von allen Elementarteilchen reisen durch den Raum, das sind die Elektronen, Positronen, Protonen, Antiprotonen als geladene Teilchen, weil sie eine unbegrenzte Lebenszeit haben. Die anderen zerfallen schnell. Von allen 4 haben 3, das Antiproton, das Positron und das Proton, genau dieselbe Energieabhängigkeit. Und dies ist der Strahl, und hier ist die Steifigkeitsfunktion. Dies ist der Protonenfluss und dies der Antiprotonenfluss, dies der Positronenfluss. Der absolute Wert ist unterschiedlich, aber das Verhalten der Funktion ist genau dasselbe. Und man kann sich das ansehen, Antiproton zu Proton, der Fluss hat im Grunde keinen Anstieg. Und ähnlich Antiproton zu Positron, Proton zu Positron, sie verhalten sich irgendwie genau gleich. Die Achse der Antiprotonen über dem Stoß normaler kosmischer Strahlen ist sehr wichtig, weil diese Achse nicht durch Pulsare erklärt werden kann. Ein Photon erzeugt kein Proton-Antiproton-Paar in einem starken Magnetfeld. Irgendeine neue Erklärung ist daher notwendig. Alle Elementarteilchen, die durch den Raum reisen, Antiprotonen, Positronen, Protonen, haben genau dieselbe Energieabhängigkeit, aber das Elektron ist anders. Sehr merkwürdiger Effekt, bis zu einer Billion Elektronvolts. Um nach dem Ursprung der dunklen Materie zu suchen, erwähnte ich die Stöße der durch dunkle Materie erzeugten Positronen, Antiprotonen. Diese müssen über dem Untergrund von Stößen normaler kosmischer Strahlen nachgewiesen werden. Also untersucht man jetzt das Signal. Das nächste, was man tun muss, ist, sich den Untergrund anzusehen, sich die Eigenschaften normaler kosmischer Strahlung anzuschauen. Das Erste, was man tun muss, ist, das Periodensystem im Raum zu messen. Wir kennen das Periodensystem auf der Erde. Und daher muss man sicherstellen, dass der Detektor das ganze Periodensystem mit hoher Genauigkeit abdecken kann. Dies hier ist die Lithiummessung. Die roten Punkte sind die AMS-Daten. Und das sind die vorherigen Messungen. Das Lithium kann wieder nicht mit der traditionellen Interpretation übereinstimmen, es gibt ein neues Phänomen. Dies hier ist die Kohlenstoffmessung, verglichen mit der vorherigen Messung. Dies ist die Stickstoffmessung, vorher haben Wissenschaftler Strukturen gesehen, wir sehen sie nicht. Und diese sind auf 1 % genau. Es gibt 2 Arten kosmischer Strahlen: die von den Quellen erzeugten werden primär genannt, die mit interstellaren Medien wechselwirken, werden sekundär genannt. Sauerstoff ist primär. Dies ist eine absolute Messung. Dieser Stickstoff ist teilweise primär, teilweise sekundär und Bor ist vollständig sekundär. Man sieht, sie unterscheiden sich charakteristisch von einander. Soweit sind wir in der Suche nach dunkler Materie. Ein weiteres Beispiel jetzt ist die Suche nach Antimaterie, etwas das George in 1975 begann. Der Urknallurspung des Universums erfordert, dass Materie und Antimaterie am sehr heißen Beginn mit gleicher Häufigkeit vorkommen. Wir wollten schauen, wo das Universum aus Antimaterie besteht. Im Universum sehen wir Helium, Kohlenstoff oder das Periodensystem, das ich schon gezeigt habe. Die Frage besteht, ob es irgendwo sehr weit weg das Antimaterieuniversum gibt, das mit Anti-Helium, Anti-Kohlenstoff angefüllt ist? Der Nachweis eines Antimaterieuniversums: kosmische Antimaterie, kann auf der Erde nicht nachgewiesen werden, weil Materie und Antimaterie sich gegenseitig vernichtet. Wir leben unter 10 Meter Wasser. Materie und Antimaterie haben eine entgegengesetzte Ladung, also benötigen wir einen Magnetdetektor, um die Ladung der Antimaterie zu messen. Positive gehen in eine Richtung, negative in die entgegengesetzte Richtung. Um dies durchzuführen, muss man erst einmal das Instrument verstehen und man produziert das Periodensystem für alle. Wir haben das gemacht und haben jetzt 80 Milliarden Ereignisse. Und wenn wir dann 100 Milliarden Ereignisse haben, beginnen wir, nach Antimaterie zu suchen. Die jüngsten AMS-Messungen des Positron-Bruchteils, das Verhalten der Elektron-, Positronen-, Protonen-, Heliumflüsse und der anderen Kerne liefert neue, präzise und unerwartete Ergebnisse. Keine unserer Messungen wird ältere Ergebnisse reproduzieren oder durch ältere Modelle vorhergesagt werden. Wenn es erst einmal auf der Raumstation ist, wird es dort bleiben, weil es kein Spaceshuttle mehr gibt, um es zurückzubringen. Es wird also ewig dort bleiben, für die Lebensdauer der Raumstation. Und wir werden mit den sehr genauen Messungen fortfahren, um zu schauen, wie schnell die Kurve abfällt, und dann nach der Existenz der Antimaterie suchen und neue Phänomene suchen. Wie schon mein Vorredner gesagt hat, der Kosmos ist das ultimative Laboratorium. Kosmische Strahlen können bei viel höheren Energien als denen in einem Beschleuniger untersucht werden. Aber das aufregendste Ziel der AMS ist, das Unbekannte zu erforschen – bis jetzt hat keine unserer Messungen ältere Messungen reproduziert – und die Suche nach Phänomenen, die in der Natur existieren und die wir uns bis jetzt nicht vorstellen konnten oder die Werkzeuge nicht hatten, sie zu entdecken. Nun lassen Sie mich ein Video zeigen, das den Zusammenbau des Detektors zeigt. Kann ich bitte das Video haben? Wie lange würde es dauern, einen Alpha-Magnet-Spektrometer zu bauen? Dies reduziert 16 Jahre auf 3 Minuten. Zur Europäischen Weltraumorganisation gehen, um Tests unter simulierten Weltraumbedingungen durchzuführen. Iin der thermischen Vakuumkammer. Tests im Teststrahl. Tests in 2000 Richtungen. Ans Kennedy Space Centre geschickt. Dies ist im Kennedy Space Centre. Dies ist, um sicherzustellen, dass es ins Shuttle passt. (Lachen) Dies ist im Inneren des Spaceshuttles. Ins All geschickt. Das Gesamtgewicht beim Launch beträgt 2000 Tonnen, um 7.5 Tonnen ins All zu befördern. Hier ist der Launch, an die Raumstation angedockt. An der Raumstation installiert. Ok, das ist genug, danke. Sie können jetzt aufhören. (Lachen) Danke.


There are two types of cosmic rays traveling through space: neutral cosmic rays (light rays and neutrinos) which have been studied extensively by Hubble telescope, by PLANCK satellites and many other space-born and ground and underground experiments such as AUGER, HESS and IceCube. These studies have contributed greatly to our understanding of the Universe.

The second types of cosmic carry charge and mass. They are absorbed in Earth atmosphere. To study the original properties of charged cosmic rays, one needs a precision magnetic spectrometer in space to identify the charge and the mass.

The Alpha Magnetic Spectrometer (AMS) is a precision particle physics detector deployed on the International Space Station in May 2011. In five years, 80 billion cosmic rays have been measured. The precision of the detector and its ability to measure and distinguish charged nuclei at extremely at high energy have changed our understanding of properties of charged cosmic rays.