Das PAMELA Experiment

PAMELA ist ein kleines Magnetspektrometer (Permanentmagnet) kombiniert mit aus Ballonflügen heraus entwickelten modernen Meßdetektoren. PAMELA steht für An Antiproton, Positron Experiment on a Polar Orbit Satellite.

Wissenschaftliches Ziel des PAMELA-Experiments

• Messung der Antiprotonen von £ 100 MeV bis ³ 190 GeV
• Messung der Positronen und Elektronen von £ 100 MeV bis ³ 270 GeV
• Messung solarer Modulationseffekte insbesondere im Hinblick auf das Ladungsvorzeichen (Antiprotonen, Protonen, Elektronen, Positronen)
• Messung der Energiespektren bis einige 100 GeV/nucleon
• Messung von solaren Flares
• Als Nebeneffekte ergeben sich obere Flußgrenzen für spekulative Antikerne auf ein Maß von Antihelium/Helium = 10^-7

Insbesondere die Messung der Antiprotonen und Positronen leiden bisher unter geringer Statistik und dem Einfluß der Erdatmosphäre, da bisher alle Messungen mit Ballonexperimenten durchgeführt wurden. PAMELA ist deshalb ein Satellitenexperiment, welches  in einen russischen Satellit Resurs DK installiert und im Dezember 2002 gestartet werden wird. Der Orbit hat eine Inklination von 70.4° und eine Höhe von 350 - 600 km. Dieser Orbit erlaubt eine Messung der niederenergetischen galaktischen kosmischen Teilchenstrahlung in der Nähe der Pole, wo der Einfluß des Erdmagnetfeldes gering ist. Die Meßzeit von mehr als zwei Jahren erlaubt eine deutliche Verbesserung der Statistik.

Das experimentelle Konzept von PAMELA

Um die oben erwähnten wissenschaftlichen Ziele zu erreichen, braucht man kein Experiment mit großen Abmessungen. Es soll sich auszeichnen durch Präzision, Zuverlässigkeit und Lebensdauer. Oben zeigen wir schematisch den experimentellen Aufbau von PAMELA mit den zu verwendenden Detektoren. Das Experiment besteht aus einem Magnetspektrometer mit Siliziumstreifenzählern zur Auslese, einem Übergangstrahlungsdetektor, einem Silizium-Wolfram-Kalorimeter, einem Flugzeitzähler und einem Anti-Koinzidenz-System.

Das gesamte Experiment ist nur ca. 120 cm hoch, das Magnetspektrometer im Zentrum ist kompakt und hat nur eine Höhe von 450 mm und eine Öffnung für den Teilchendurchgang von 132 x 162 mm². Kombiniert mit der Winkelöffnung des Experimentes ergibt sich daraus ein Raumwinkelflächenprodukt von WF = 20,5 cm² ster. Diese Größe reicht aus, um in Kombination mit dem polaren Orbit genügend Teilchen in der vorgesehenen Meßzeit zu registrieren (Etwa 20000 Antiprotonen und 200000 Positronen).

Magnetspektrometer

Das Magnetspektrometer besteht aus einem Permanentmagnet (5 Module aus Nd-Fe-B Material)und 6 Lagen von Siliziumstreifenzählern. Das Magnetfeld hat eine Stärke von B = 0,4 T und die Ortsauflösung der Siliziumstreifenzähler beträgt etwa 4 µm. Aus der Kombination von Magnetfeld und Spurvermessung folgt für das PAMELA-Spektrometer ein MDR von etwa 800 GV (MDR = "Maximal Detectable Rigidity", bei dieser Steifigkeit beträgt der Fehler der Steifigkeitsmessung 100 %). Beim Magnetspektrometer kommt die kompakte Bauweise des PAMELA-Experimentes besonders zur Geltung: 

• Man erreicht ein relativ starkes Magnetfeld von über 0.4 Tesla.

• Bei kleiner empfindlicher Fläche gestaltet sich der Einbau der Siliziumstreifenzähler in den sensitiven Raum des Magneten mechanisch wesentlich einfacher als bei größerer Fläche.

• Maßnahmen gegen Vibration und Durchhängen sind einfacher zu realisieren. Dadurch reduziert sich die Massenbelegung und entsprechend die Vielfachstreuung entlang der Teilchenbahn.

• Durch die kleinen Flächen vereinfacht sich die Ermittlung der Position der 6 Ebenen untereinander. Ortsabhängige Einflüsse oder Temperatureinflüsse reduzieren sich.
  Bei einem kleinflächigen, kompakten Aufbau ist die Chance wesentlich größer, die exzellente Ortsauflösung der Siliziumstreifenzähler von etwa 4 µm auch meßtechnisch nutzen zu können im Gegensatz zu einem großflächigen Aufbau.

Kalorimeter

Dieses Kalorimeter besteht aus Siliziumstreifenzählern alternierend kombiniert mit Lagen von Wolfram-Absorbern. Es besteht aus 11 Modulen, wobei jedes Modul aus je einer Siliziumauslese für die X-Koordinate, dem Absorber, und der Siliziumauslese für die Y-Koordinate besteht, also insgesamt 44 Ebenen Siliziumauslese (jede 380 µm dick) und 22 Absorberebenen (je 2,3 mm dick). Die Tiefe dieses Kalorimeters entspricht 0,9 Wechselwirkungslängen und 16 Strahlungslängen. Die Siliziumstreifenzähler haben einen Pitch von 2,4 mm, dadurch ist neben der Messung des Energieverlustes des elektromagnetischen Schauers im Kalorimeter auch eine Rekonstruktion der Teilchenspur möglich. Damit erhält man eine ausgezeichnete Möglichkeit der Separation zwischen Leptonen und Hadronen. Dieses Kalorimeter wurde im Juli 2000 am SPS-Beschleuniger getestet und erreichte eine Elektron-Positron-Separation vom Maße 10⁴.

Übergangsstrahlungsdetektor

Dieser Detektor dient auch zur Trennung von Leptonen und Hadronen und benutzt dabei den Effekt der Übergangsstrahlung, den Teilchen beim Durchqueren zweier unterschiedlicher Materialien aussenden. Er besteht aus insgesamt 9 Lagen Radiatormaterial (Carbon-Fiber), alternierend kombiniert mit Doppelebenen von Strohhalmkammern, die mit Xenon-CO₂ Gasgemisch gefüllt sind. Dieser Detektor dient dazu, die Elektron-Proton Separation weiter zu erhöhen, um insbesondere den hohen Protonenuntergrund von den Positronen zuverlässig zu trennen.

Flugzeitmessung

Die Flugzeitmessung stellt den Trigger für die anderen Detektoren bereit, selektiert "Albedo-Teilchen" aus (Teilchen, die von unten das Experiment durchqueren), und bestimmt die Teilchengeschwindigkeit im niederenergetischen Bereich bis etwa 1 GeV. Für diese Messung (insgesamt 5 Detektorebenen) verwenden wir Szintillatorstreifen, die über adiabatische Lichtleiter an den Enden mit Photomultipliern ausgelesen werden. Die Zeitauflösung des System wird etwa 120 psec betragen.

Antikoinzidenzsystem

Um nur Teilchen zu selektieren, die das aktive Volumen des Experimentes durchsetzen und z. B. Teilchen, die von der Seite kommen, auszuschließen, braucht man eine Antikoinzidenz. Bei PAMELA  befindet sich diese über und um den Magneten. Sie besteht aus 8 mm dicken Szintillatoren, die durch Photomultiplier ausgelesen werden.

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