Space qualification of the transition radiation detector of the AMS-02 experiment and indirect search for dark matter

Chung, Chan Hoon; Schael, Stefan

doi:2082

Space qualification of the transition radiation detector of the AMS-02 experiment and indirect search for dark matter = Weltraumqualifikation des Übergabgsstrahlungsdetektors für das AMS-02 Experiment und die indirekte Suche nach Dunkler Materie

Chung, Chan Hoon (Author)

2007

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Chan Hoon Chung

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2007

UmfangX, 184 : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2007

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Schael, Stefan (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2007-09-04

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-20828
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/62548/files/Chung_Chan.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Supersymmetrie (Genormte SW) ; Kosmische Strahlung (Genormte SW) ; ISS <Raumfahrt> (Genormte SW) ; Dunkle Materie (Genormte SW) ; Physik (frei) ; Cosmic Rays (frei) ; SUSY (frei) ; Dark Matter (frei) ; Anti Matter (frei) ; AMS-02 (frei) ; TRD (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530
pacs: 98.70.Sa 9

Kurzfassung
Es ist bekannt, daß das Universum zu etwa 22% aus Dunkler Materie besteht und daß ihre Konstituenten stabile Teilchen mit nicht-relativistischen Geschwindigkeiten sein müssen, die lediglich schwach wechselwirken. Darüberhinaus bleibt aber ungewiß, woraus Dunkle Materie besteht, und wie sie in unserer Galaxie verteilt ist. Supersymmetrische Erweiterungen des Standardmodells sagen die Existenz neuer Teilchen voraus, deren leichtestes (LSP) im Falle der Erhaltung der R-Parität stabil ist. In supersymmetrischen Erweiterungen, die auf der Theorie der Supergravitation (mSUGRA) basieren, ist der am besten motivierte Kandidat für das LSP das leichteste der vier Neutralinos, ein neutrales, schwach wechselwirkendes und schweres Teilchen. Das Neutralino zeichnet sich insbesondere dadurch aus, daß die für es rognostizierte Reliktdichte zwanglos mit deren beobachtetem Wert verträglich ist. Antiteilchen in der kosmischen Strahlung entstehen den gängigen Modellen zufolge ausschließlich als Sekundärprodukte bei Wechselwirkungen von primären Teilchen mit dem interstellaren Medium. Als die Messungen kosmischer Positronen, Antiprotonen und Gamma-Photonen unlängst immer präziser wurden, stellte sich jedoch heraus, daß die Resultate nicht mit den Erwartungen für rein sekundäre Teilchenproduktion vereinbar sind. Für diese Arbeit wurden die zu erwartenden Flüsse kosmischer Positronen, Antiprotonen und Gamma-Photonen mit Hilfe von Modellen der Teilchenausbreitung ermittelt und mit den experimentellen Daten verglichen. Hierzu wurde eine phänomenologische Studie auf der Basis von mSUGRA durchgeführt. Wie gezeigt wird, können die experimentellen Daten deutlich besser interpretiert werden, wenn neben der rein sekundären Teilchenproduktion die Annihilation von Neutralinos in der Galaxie als zusätzliche Teilchenquelle angenommen wird. Unter dieser Voraussetzung erlauben die experimentellen Ergebnisse weitere deutliche Einschränkungen hinsichtlich der Parameter der mSUGRA-Modelle. Für die Masse der Neutralinos, die dominant in W+W- annihilieren, ergeben sich somit Werte zwischen 80 und 120 GeV. Der im Rahmen dieser Interpretation von den experimentellen Daten bevorzugte Bereich des mSUGRA-Parameterraums liegt in der focus-point Region in Übereinstimmung mit der von WMAP und 2dFGRS gemessenen Reliktdichte der Dunklen Materie. Dieses Ergebnis kann insgesamt als Hinweis auf die tatsächliche Existenz von Neutralinos als Konstituenten der Dunklen Materie gewertet werden. Darüberhinaus bleibt es jedoch notwending, die Flüsse der kosmischen Strahlung mit höherer Genauigkeit zu vermessen. AMS-02 wird das größte Teilchenphysikexperiment auf der Internationalen Raumstation (ISS) sein und das Wissen über den hochenergetischen Teil der kosmischen Strahlung, ihre Quellen, Beschleunigung und die Mechanismen ihrer Ausbreitung aufgrund seiner bisher unerreichten Präzision grundlegend erweitern. Insbesondere aussichtsreich hinsichtlich der Entdeckung der Neutralinos als Dunkle Materie ist die Messung des Flusses kosmischer Positronen mit AMS-02, da der vorhergesagte Positronenfluß weniger empfindlich von denjenigen astrophysikalischen Parametern abhängt, die die Ausbreitung der kosmischen Strahlung und die Verteilung der Dunklen Materie in der Galaxis bestimmen. Der Übergangsstrahlungsdetektor (TRD) von AMS-02 wurde entwickelt, um den von Protonen verursachten Untergrund bei der Positronenmessung zu unterdrücken, und bietet eine hohe Selektionseffizienz im Impulsbereich von 1 GeV/c bis 300 GeV/c. Er besteht aus 20 Lagen von röhrenförmigen, mit einer Xe/CO2 Gasmischung betriebenen Proportionalzählern, die abwechselnd mit Lagen eines Vlies-Radiatormaterials geschichtet sind und von einer konischen Oktogonstruktur getragen werden. Die anspruchsvolle Betriebsumgebung im All und die begrenzte zur Verfügung stehende elektrische Betriebsleistung stellen hohe Anforderungen an das Design des TRD. Das Auslesesystem des TRD besteht aus 82 Frontend-Platinen und zwei Paaren von Signalverarbeitungs- und stromversorgungseinheiten. Eine Frontend-Platine beherbergt für jeden ihrer 64 Auslesekanäle je einen ladungssensitiven Verstärker, Pulsformer und Multiplexer mit niedrigem Rauschpegel, geringer Leistungsaufnahme und großem dynamischem Bereich. Zusätzlich umfaßt sie einen Analog-Digital-Umsetzer sowie integrierte Schaltungen für die Kalibration und die Ansteuerung ihrer elektronischen Komponenten. Die Frontend-Platine wurde entsprechend den Anforderungen der NASA hinsichtlich ihrer Weltraumtauglichkeit entwickelt und gebaut. Die Ergebnisse von Funktionstest während einer Reihe von Untersuchungen zur Weltraumqualifikation werden vorgestellt, und die Leistungsfähigkeit des TRD wurde mittels eines Teststrahls am CERN untersucht. Alle Frontend-Platinen für das Experiment sind im Rahmen dieser Arbeit fertiggestellt worden und erfüllen sämtliche Anforderungen hinsichtlich der Vibrationsfestigkeit, der thermischen und der Vakuum-Belastungsfähigkeit sowie der elektromagnetischen Emission fehlerfrei. Die einzelnen Subdetektoren werden 2007 zur Integration des AMS-02-Detektors zum CERN geliefert, wo der vollständig integrierte Detektor später in Teilchenstrahlexperimenten getestet werden wird. Im Anschluß an einen Weltraumqualifikationstest im Weltraumsimulator der ESA-ESTEC wird AMS-02 zum KSC der NASA gebracht und dort für den Start mit dem Space Shuttle vorbereitet werden. Der Start und die Installation auf der ISS sind für das Jahr 2009 geplant.Eine Zeit neuer und aufregender Entdeckungen in der astroteilchenphysikalischen Forschung steht nun unmittelbar bevor.

We know that the universe consists of 22\% dark matter. The dark matter particle has to be stable, non-relativistic and only weakly interacting. But we don't know what the dark matter is made of and how it is distributed within our Galaxy. Supersymmetric models predict the existence of the lightest supersymmetric particle (LSP), which is stable if R-parity is conserved. In supersymmetric models inspired by supergravity, the commonly accepted LSP candidate is the lightest neutralino which is a neutral and weakly interacting massive particle. It is a viable candidate for dark matter since the derived relic abundance is naturally within the observed range. In general, the cosmic antiparticles are expected as secondary products of interactions of the primary cosmic-rays (CRs) with the interstellar medium during propagation. While the measurements of cosmic positrons, antiprotons and diffuse gamma rays have become more precise, the results still do not match with the pure secondary origins. The comparison of the expected background of positron, antiproton and gamma-ray fluxes with experimental data have been performed using CR propagation models. A phenomenological study based on the mSUGRA frameworks was carried out and showed a better interpretation of CR fluxes including neutralino annihilations in the galactic halo or center. The combined data of positrons, antiprotons and gamma rays give a strong constraint on the mSUGRA parameter space. The light neutralino has a mass between 80 and 120 GeV annihilating dominantly to W+W-. The most preferred mSUGRA parameter space belongs to the focus point region. This region also produced the correct dark matter abundance consistent with the WMAP3 and the 2dFGRS data. This result might be considered as first evidence of a neutralino dark matter scenario. However, future experiments have to provide measurements of CRs with higher precision. AMS-02 will be the major particle physics experiment on the ISS and will make a profound impact on our knowledge of high energy CRs with unprecedented accuracy. It will extend our knowledge on CR origins, acceleration and propagation mechanisms. Especially, the measurement of the positron flux may be the most promising for the detection of the neutralino dark matter, since the predicted positron flux is less sensitive to the astrophysical parameters responsible for the propagation and the dark matter halo profile. The AMS-02 Transition Radiation Detector (TRD) is designed to provide a positron separation from the proton background with high efficiency in the momentum range of 1 GeV/c upto $leq$ 300 GeV/c. It consists of 20 layers of straw module, proportional counters using Xe/CO2 gas mixtures, interleaved with fleece radiators supported in a conical octagon structure. Major design constraints arise from operating it in a space environment with limited power resources.The TRD readout system is divided into 82 front-end electronic circuits and two pairs of crate electronics and power distribution boxes. A front-end board employs a 64 channel charge sensitive amplifier, shaper and multiplexer based on low noise and low power with a high dynamic range. In addition, it contains an analog-digital-converter, calibration, hybrid control and logic circuits. The front-end electronics has been developed and constructed to meet the requirements of space qualification issued by NASA. Results of functional tests during a series of space qualification tests have been presented and the TRD performance has been investigated using a testbeam at CERN. All of the flight frond-end boards are produced and passed the EMI, vibration and thermal vacuum tests without any failure. Each AMS sub-detector will be delivered to CERN in 2007 for the detector integration. The fully assembled AMS-02 detector will be tested with high energy beams at CERN. Afterwards a space qualification test will be performed using a large space simulator at ESA-ESTEC. Then it will be delivered to NASA-KSC to prepare for the launch with a space shuttle. The launch and installation of the AMS-02 detector on ISS is scheduled for 2009. Now, we are on the threshold of a new and exciting era of unexpected discoveries at the frontiers of astroparticle physics.

Fulltext:
PDF