Alpha Magnetic Spectrometer

Введение

Детектор частиц на Международной космической станции Альфа-магнитный спектрометр (AMS 02) - это экспериментальный модуль физики частиц, установленный на Международной космической станции (МКС). Эксперимент является признанным экспериментом CERN (RE1). Модуль представляет собой детектор, который измеряет антиматерию в космических лучах; эта информация необходима для понимания формирования Вселенной и поиска доказательств существования темной материи. Главный исследователь - лауреат Нобелевской премии по физике частиц Сэмюэл Тинг. Запуск рейса STS 134 с AMS 02 состоялся 16 мая 2011 года, а спектрометр был установлен 19 мая 2011 года. К 15 апреля 2015 года AMS 02 зафиксировала более 60 миллиардов событий космических лучей и 90 миллиардов после пяти лет работы с момента его установки в мае 2011 года. В марте 2013 года профессор Тинг сообщил о первоначальных результатах, заявив, что AMS наблюдала более 400 000 позитронов, при этом доля позитрона к электрону увеличилась с 10 ГеВ до 250 ГеВ. (Позже результаты показали снижение позитронной фракции при энергиях более 275 ГеВ). Не было "никаких существенных изменений во времени или какого-либо предпочтительного направления входа. Эти результаты согласуются с позитронами, возникающими в результате уничтожения частиц темной материи в космосе, но пока не достаточно убедительны, чтобы исключить другие объяснения". Результаты были опубликованы в Physical Review Letters. Дополнительные данные все еще собираются.

История

Альфа-магнитный спектрометр был предложен в 1995 году Исследовательской группой по антиматерии с заявленной целью поиска первичной антиматерии с целевым разрешением антиматерии/материи ≈10−9.

АМС-01

Прототип AMS, обозначенный как AMS 01, упрощенная версия детектора, был построен международным консорциумом под руководством Тинга и выведен в космос на борту STS 91 в июне 1998 года. Не обнаружив никакого антигелия, AMS 01 установил верхний предел 1,1 × 10−6 для соотношения потока антигелия к гелию и доказал, что концепция детектора работала в космосе. Это был последний рейс шаттла на космическую станцию Мир.

АМС-02

После полета прототипа группа, теперь названная AMS Collaboration, начала разработку полной исследовательской системы, названной AMS 02. В разработке этой технологии участвовали 500 ученых из 56 учреждений и 16 стран, организованных под эгидой Министерства энергетики США (DOE). Инструмент, который в конечном итоге стал результатом длительного эволюционного процесса, был назван "самым сложным детектором частиц, когда-либо отправленным в космос", конкурирующим с очень большими детекторами, используемыми в основных ускорителях частиц, и стоил в четыре раза больше, чем любой из его наземных аналогов. Его цели также развивались и уточнялись с течением времени. По мере построения он становится более всеобъемлющим детектором, который имеет больше шансов обнаружить доказательства темной материи наряду с другими целями. Считалось, что потребности в энергии для AMS 02 слишком велики для практического независимого космического корабля, поэтому AMS 02 был разработан для установки в качестве внешнего модуля на Международной космической станции и использования энергии с МКС. Пост-план был доставлять AMS 02 на МКС космическим шаттлом в 2005 году на станции сборки миссии UF4.1, но технические трудности и вопросы планирования шаттлов добавили больше задержек. AMS 02 завершил окончательное интеграционное и операционное тестирование в CERN в Женеве, Швейцария, которое включало воздействие энергичных пучков протонов, генерируемых ускорителем частиц CERN SPS. Затем AMS 02 был отправлен специализированным транспортером в Европейский центр космических исследований и технологий (ESTEC) в Нидерландах, где он прибыл 16 февраля 2010 года. Здесь он прошел испытания на тепловой вакуум, электромагнитную совместимость и электромагнитные помехи. AMS 02 должен был быть доставлен в Космический центр Кеннеди во Флориде, США, в конце мая 2010 года. Однако это было перенесено на 26 августа, так как AMS 02 прошла окончательные испытания луча выравнивания в CERN. Криогенная сверхпроводящая магнитная система была первоначально установлена на AMS 02. Когда администрация Обамы продлила деятельность Международной космической станции после 2015 года, руководство AMS приняло решение обменять сверхпроводящий магнит AMS 02 на не сверхпроводящий магнит, ранее летевший на AMS 01. Хотя не сверхпроводящий магнит имеет более слабую силу поля, его время эксплуатации на орбите на МКС, как ожидается, составляет от 10 до 18 лет по сравнению с только тремя годами для сверхпроводящей версии. В декабре 2018 года было объявлено, что финансирование МКС было продлено до 2030 года. В 1999 году, после успешного полета AMS 01, общая стоимость программы AMS была оценена в 33 миллиона долларов, а AMS 02 планировалась для полета на МКС в 2003 году. После катастрофы космического челнока "Колумбия" в 2003 году и после ряда технических трудностей при строительстве AMS 02, стоимость программы увеличилась до 2 миллиардов долларов.

After the flight of the prototype, the group, now labelled the AMS Collaboration, began the development of a full research system designated AMS 02. This development effort involved the work of 500 scientists from 56 institutions and 16 countries organized under United States Department of Energy (DOE) sponsorship. The instrument which eventually resulted from a long evolutionary process has been called "the most sophisticated particle detector ever sent into space", rivaling very large detectors used at major particle accelerators, and has cost four times as much as any of its ground based counterparts. Its goals have also evolved and been refined over time. As built it is a more comprehensive detector which has a better chance of discovering evidence of dark matter along with other goals. The power requirements for AMS 02 were thought to be too great for a practical independent spacecraft, so AMS 02 was designed to be installed as an external module on the International Space Station and use power from the ISS. The post plan was to deliver AMS 02 to the ISS by space shuttle in 2005 on station assembly mission UF4.1, but technical difficulties and shuttle scheduling issues added more delays. AMS 02 completed final integration and operational testing at CERN in Geneva, Switzerland which included exposure to energetic proton beams generated by the CERN SPS particle accelerator. AMS 02 was then shipped by specialist hauler to ESA's European Space Research and Technology Centre (ESTEC) facility in the Netherlands, arriving February 16, 2010. Here it underwent thermal vacuum, electromagnetic compatibility, and electromagnetic interference testing. AMS 02 was scheduled for delivery to the Kennedy Space Center in Florida, United States, in late May 2010. This was, however, postponed to August 26, as AMS 02 underwent final alignment beam testing at CERN. A cryogenic, superconducting magnet system was initially installed on the AMS 02. When the Obama administration extended International Space Station operations beyond 2015, the decision was made by AMS management to exchange the AMS 02 superconducting magnet for the non superconducting magnet previously flown on AMS 01. Although the non superconducting magnet has a weaker field strength, its on orbit operational time at ISS is expected to be 10 to 18 years versus only three years for the superconducting version. In December 2018, it was announced that funding for the ISS had been extended to 2030. In 1999, after the successful flight of AMS 01, the total cost of the AMS program was estimated to be $33 million, with AMS 02 planned for flight to the ISS in 2003. After the Space Shuttle Columbia disaster in 2003, and after a number of technical difficulties with the construction of AMS 02, the cost of the program ballooned to an estimated $2 billion.

Установка на Международной космической станции

В течение нескольких лет было неясно, будет ли когда-нибудь запущен AMS 02, потому что он не проявил себя на любом из оставшихся полетов космического челнока. После катастрофы в 2003 году в Колумбии НАСА решило сократить рейсы шаттлов и отозвать оставшиеся шаттлы к 2010 году. Ряд рейсов был удален из оставшегося манифеста, включая рейс AMS 02. Предлагалось запустить AMS 02 на МКС на дополнительном рейсе шаттла в 2010 или 2011 году. Законопроект был принят палатой представителей США 11 июня 2008 года. Затем законопроект был передан в Комитет по торговле, науке и транспорту Сената, где он также был принят. Затем он был изменен и принят полным Сенатом 25 сентября 2008 года, а затем был снова принят Палатой представителей 27 сентября 2008 года. Он был подписан президентом Джорджем Бушем 15 октября 2008 года. Законопроект уполномочил НАСА добавить еще один полет космического шаттла в расписание до того, как программа космического шаттла была прекращена. В январе 2009 года НАСА восстановило AMS 02 в списке кораблей. 26 августа 2010 года AMS 02 был доставлен из CERN в Космический центр Кеннеди самолетом Lockheed C 5 Galaxy. Он был доставлен на Международную космическую станцию 19 мая 2011 года в рамках сборочного полета станции ULF6 на рейсе шаттла STS 134, командованном Марком Келли. Он был вывезен из грузового отсека шаттла с помощью роботизированной руки шаттла и передан на роботизированную руку станции для установки. AMS 02 установлен на вершине интегрированной конструкции корпуса, на USS 02, на зенитной стороне элемента S3 корпуса.

Эксплуатация, состояние и ремонт

К апрелю 2017 года только один из 4 избыточных насосов охлаждающей жидкости для кремниевых трекеров работал в полном объеме, и планировался ремонт, несмотря на то, что AMS 02 не был разработан для обслуживания в космосе. В ноябре 2019 года, после четырех лет планирования, также было пополнено количество жидкого углекислого газа. Вся кампания по выходу в космос была центральной особенностью документального сериала Disney+ Among The Stars.

Первый выход в космос

Первый космический поход был проведен 15 ноября 2019 года. Прогулка в космосе началась с удаления щита от мусора, покрывающего AMS, который был выброшен, чтобы сгореть в атмосфере. Следующей задачей было установка трех поручни вблизи AMS для подготовки к следующим космическим прогулкам и удаление ремешок на вертикальном опоре AMS. Затем последовала задача "выйти вперед": Пармитано вытащил винты из углеродного покрытия под изоляцией и передал покрытие Моргану для сброса. Космические ходоки также сняли крышку с вертикальной опоры. Продолжительность космической прогулки составила 6 часов и 39 минут.

Второй поход в космос

Второй космический поход был проведен 22 ноября 2019 года. Пармитано и Морган вырезали в общей сложности восемь труб из нержавеющей стали, в том числе одну, которая выводила остаток углекислого газа из старого охлаждающего насоса. Члены экипажа также подготовили кабель питания и установили механическое прикрепление перед установкой новой системы охлаждения. Продолжительность космической прогулки составила 6 часов 33 минуты.

Научные цели

AMS 02 использует уникальную среду космоса для продвижения знаний о Вселенной и ведения к пониманию ее происхождения путем поиска антиматерии, темной материи и измерения космических лучей. Первые результаты физики были опубликованы в Physical Review Letters 3 апреля 2013 года. В нем говорится, что "первые результаты космического магнитного спектрометра Альфа подтверждают необъяснимый избыток позитронов высокой энергии в космических лучах, связанных с Землей". Эти результаты согласуются с позитронами, возникающими при аннигиляции частиц темной материи в космосе, но пока недостаточно убедительны, чтобы исключить другие объяснения. Тинг сказал: "В ближайшие месяцы AMS сможет окончательно сказать, являются ли эти позитроны сигналом для темной материи или они имеют какое-то другое происхождение". 18 сентября 2014 года новые результаты с почти вдвое большим количеством данных были представлены в лекции в CERN и опубликованы в Physical Review Letters. Было сообщено о новом измерении позитронной фракции до 500 ГеВ, показывающей, что пик позитронной фракции достигает максимум около 16% от общего числа электронных + позитронных событий, при энергии 275 ± 32 ГеВ. При более высоких энергиях, до 500 Гев, соотношение позитронов к электронам начинает снова падать. Команда AMS представила в течение 3 дней в CERN в апреле 2015 года новые данные о 300 миллионах протонных событий и потоке гелия. В декабре 2016 года было обнаружено несколько сигналов, соответствующих ядрам антигелия среди нескольких миллиардов ядер гелия. Результат еще предстоит проверить, и команда в настоящее время пытается исключить возможную зараженность. Исследование 2019 года, использующее данные космического телескопа Ферми Гамма-лучей НАСА, обнаружило ореол вокруг близлежащего пульсара Джеминга. Ускоренные электроны и позитроны сталкиваются с ближайшим звездным светом. Столкновение повышает энергию света. Один только геминг мог быть ответственным за до 20% позитронов высокой энергии, обнаруженных в эксперименте AMS 02. На 2021 год AMS 02 на МКС зафиксировал восемь событий, которые, похоже, указывают на обнаружение антигелия 3. За двенадцать лет на борту МКС, AMS накопил набор данных более 230 миллиардов космических лучей, охватывающих энергии, достигающие много TeV уровней. Точные измерения, полученные магнитным спектрометром, позволяют представлять данные с точностью, приближающейся к ~1%. Особенно значимы данные о высоких энергиях относительно элементарных частиц, таких как электроны, позитроны, протоны и антипротоны, которые представляют собой проблемы для теоретических рамок. Кроме того, наблюдения за ядрами и изотопами показывают энергетические зависимости, которые отклоняются от теоретических прогнозов. Обширный набор данных, собранный AMS, требует переоценки существующих моделей космоса, как обсуждалось на апрельском совещании APS в 2024 году.

The AMS 02 uses the unique environment of space to advance knowledge of the Universe and lead to the understanding of its origin by searching for antimatter, dark matter and measuring cosmic rays. The first physics results were published in Physical Review Letters on April 3, 2013. said that "The first results from the space borne Alpha Magnetic Spectrometer confirm an unexplained excess of high energy positrons in Earth bound cosmic rays." These results are consistent with the positrons originating from the annihilation of dark matter particles in space, but not yet sufficiently conclusive to rule out other explanations. Ting said "Over the coming months, AMS will be able to tell us conclusively whether these positrons are a signal for dark matter, or whether they have some other origin." On September 18, 2014, new results with almost twice as much data were presented in a talk at CERN and published in Physical Review Letters. A new measurement of positron fraction up to 500 GeV was reported, showing that positron fraction peaks at a maximum of about 16% of total electron+positron events, around an energy of 275 ± 32 GeV. At higher energies, up to 500 GeV, the ratio of positrons to electrons begins to fall again. The AMS team presented for 3 days at CERN in April 2015, covering new data on 300 million proton events and helium flux. It revealed in December 2016 that it had discovered a few signals consistent with antihelium nuclei amidst several billion helium nuclei. The result remains to be verified, and the team is currently trying to rule out possible contamination. A study from 2019, using data from NASA's Fermi Gamma ray Space Telescope discovered a halo around the nearby pulsar Geminga. The accelerated electrons and positrons collide with nearby starlight. The collision boosts the light to much higher energies. Geminga alone could be responsible for as much as 20% of the high energy positrons seen by the AMS 02 experiment. The AMS 02 on the ISS has, as of 2021, recorded eight events that seem to indicate the detection of antihelium 3. Over a twelve year period aboard the ISS, the AMS has accumulated a dataset of more than 230 billion cosmic rays, spanning energies reaching multi TeV levels. The precise measurements obtained by the magnetic spectrometer enable data presentation with an accuracy approaching ~1%. Particularly significant is the high energy data regarding elementary particles such as electrons, positrons, protons, and antiprotons, which presents challenges to theoretical frameworks. Additionally, observations of nuclei and isotopes reveal energy dependencies that deviate from theoretical predictions. The extensive dataset collected by AMS necessitates a reevaluation of existing models of the cosmos, as discussed at the APS April meeting in 2024.