Альфа -магнитный спектрометр ( AMS-02 ) — это экспериментальный модуль по физике элементарных частиц , установленный на Международной космической станции (МКС). [4] Эксперимент является признанным экспериментом ЦЕРНа (RE1). [5] [6] Модуль представляет собой детектор, который измеряет антиматерию в космических лучах ; эта информация необходима для понимания формирования Вселенной и поиска доказательств существования темной материи .
Главным исследователем является лауреат Нобелевской премии по физике элементарных частиц Сэмюэль Тинг . Запуск космического челнока Endeavour STS-134 с AMS-02 на борту состоялся 16 мая 2011 года, а спектрометр был установлен 19 мая 2011 года. [7] [8] К 15 апреля 2015 года AMS-02 зарегистрировал более 60 миллиардов событий космических лучей [9] и 90 миллиардов после пяти лет работы с момента его установки в мае 2011 года. [10]
В марте 2013 года профессор Тин сообщил о первых результатах, заявив, что AMS наблюдал более 400 000 позитронов , причем доля позитронов в электронах увеличилась с 10 ГэВ до 250 ГэВ. (Более поздние результаты показали уменьшение доли позитронов при энергиях свыше 275 ГэВ). Не было «никаких существенных изменений с течением времени или какого-либо предпочтительного направления входящего потока. Эти результаты согласуются с позитронами, возникающими в результате аннигиляции частиц темной материи в космосе, но пока недостаточно убедительны, чтобы исключить другие объяснения». Результаты были опубликованы в Physical Review Letters . [11] Дополнительные данные все еще собираются. [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17]
Альфа-магнитный спектрометр был предложен в 1995 году Группой по изучению антиматерии [ 18] [4] под руководством физика элементарных частиц из Массачусетского технологического института Сэмюэля Тинга вскоре после отмены Сверхпроводящего суперколлайдера . Первоначальное название инструмента было Спектрометр антиматерии [ 4] [18] [19] с заявленной целью поиска первичной антиматерии с целевым разрешением антиматерия/материя ≈10−9 [ 18 ] [19] Предложение было принято, и Тинг стал главным исследователем [20] .
Прототип AMS, обозначенный как AMS-01 , упрощенная версия детектора, был построен международным консорциумом под руководством Тинга и запущен в космос на борту космического челнока Discovery в рамках миссии STS-91 в июне 1998 года. Не обнаружив никакого антигелия , AMS-01 установил верхний предел 1,1×10−6 для отношения потоков антигелия к гелию [21] и доказал, что концепция детектора работает в космосе. Эта миссия шаттла была последним полетом шаттла к космической станции «Мир» .
После полета прототипа группа, теперь именуемая AMS Collaboration , начала разработку полной исследовательской системы, обозначенной AMS-02 . В этой разработке приняли участие 500 ученых из 56 институтов и 16 стран, организованных под спонсорством Министерства энергетики США (DOE).
Инструмент, который в конечном итоге появился в результате длительного эволюционного процесса, был назван «самым сложным детектором частиц, когда-либо отправленным в космос», соперничая с очень большими детекторами, используемыми на основных ускорителях частиц , и стоил в четыре раза дороже, чем любой из его наземных аналогов. Его цели также развивались и совершенствовались с течением времени. В том виде, в котором он был построен, он является более комплексным детектором, который имеет больше шансов обнаружить доказательства темной материи наряду с другими целями. [22]
Потребности в энергии для AMS-02 считались слишком большими для практического независимого космического корабля, поэтому AMS-02 был разработан для установки в качестве внешнего модуля на Международной космической станции и использования энергии от МКС. План после Space Shuttle Columbia состоял в том, чтобы доставить AMS-02 на МКС с помощью космического челнока в 2005 году в ходе миссии по сборке станции UF4.1 , но технические трудности и проблемы с расписанием шаттла добавили еще больше задержек. [23]
AMS-02 завершил окончательную интеграцию и эксплуатационные испытания в ЦЕРНе в Женеве, Швейцария , которые включали воздействие энергичных протонных пучков, генерируемых ускорителем частиц CERN SPS . [24] [25] Затем AMS-02 был отправлен специализированным тягачом Архивировано 17 января 2022 года на Wayback Machine в Европейский центр космических исследований и технологий ЕКА (ESTEC) в Нидерландах , прибыв 16 февраля 2010 года. Здесь он прошел испытания на термовакуум, электромагнитную совместимость и электромагнитные помехи . AMS-02 планировалось доставить в Космический центр Кеннеди во Флориде , США, в конце мая 2010 года. [7] Однако это было отложено до 26 августа, поскольку AMS-02 прошел окончательное тестирование юстировочного пучка в ЦЕРНе. [26] [27]
Первоначально на AMS-02 была установлена криогенная сверхпроводящая магнитная система. Когда администрация Обамы продлила эксплуатацию Международной космической станции после 2015 года, руководством AMS было принято решение заменить сверхпроводящий магнит AMS-02 на несверхпроводящий магнит, который ранее использовался на AMS-01. Хотя несверхпроводящий магнит имеет более слабую напряженность поля , ожидается, что его время работы на орбите на МКС составит от 10 до 18 лет по сравнению с тремя годами для сверхпроводящей версии. [28] В декабре 2018 года было объявлено, что финансирование МКС продлено до 2030 года. [29]
В 1999 году, после успешного полета AMS-01, общая стоимость программы AMS оценивалась в 33 миллиона долларов, а полет AMS-02 к МКС был запланирован на 2003 год. [30] После катастрофы шаттла Columbia в 2003 году и ряда технических трудностей при строительстве AMS-02 стоимость программы резко возросла до 2 миллиардов долларов. [31] [32]
В течение нескольких лет было неизвестно, будет ли AMS-02 когда-либо запущен, поскольку он не был заявлен для полета ни в одном из оставшихся полетов Space Shuttle . [33] После катастрофы Columbia в 2003 году NASA приняло решение сократить полеты шаттлов и списать оставшиеся шаттлы к 2010 году. Ряд полетов были исключены из оставшегося манифеста, включая полет AMS-02. [20] В 2006 году NASA изучало альтернативные способы доставки AMS-02 на космическую станцию, но все они оказались слишком дорогими. [33]
В мае 2008 года был предложен законопроект [34] о запуске AMS-02 к МКС в качестве дополнительного полета шаттла в 2010 или 2011 году. [35] Законопроект был принят Палатой представителей США в полном составе 11 июня 2008 года. [36] Затем законопроект был передан в Комитет Сената по торговле, науке и транспорту, где он также был принят. Затем в него были внесены поправки, и он был принят полным составом Сената 25 сентября 2008 года, а затем снова принят Палатой представителей 27 сентября 2008 года. [37] Он был подписан президентом Джорджем Бушем- младшим 15 октября 2008 года. [38] [39] Законопроект разрешал NASA добавить еще один полет космического шаттла в расписание до того, как программа космических шаттлов будет прекращена. В январе 2009 года NASA восстановило AMS-02 в манифесте шаттлов. 26 августа 2010 года AMS-02 был доставлен из ЦЕРНа в Космический центр Кеннеди на самолете Lockheed C-5 Galaxy . [40]
Он был доставлен на Международную космическую станцию 19 мая 2011 года в рамках полета по сборке станции ULF6 на шаттле STS-134 под командованием Марка Келли . [41] Он был извлечен из грузового отсека шаттла с помощью роботизированной руки шаттла и передан роботизированной руке станции для установки. AMS-02 установлен на вершине интегрированной ферменной конструкции , на USS-02, зенитной стороне элемента S3 фермы. [42]
К апрелю 2017 года только один из 4 резервных насосов охлаждающей жидкости для кремниевых трекеров работал полностью, и планировался ремонт, несмотря на то, что AMS-02 не был предназначен для обслуживания в космосе. [43] [44] К 2019 году последний насос работал с перебоями. [44] В ноябре 2019 года, после четырех лет планирования, [44] на МКС были отправлены специальные инструменты и оборудование для ремонта на месте, потребовавшего четырех выходов в открытый космос . [45] Также был пополнен запас жидкого углекислого газа в качестве охлаждающей жидкости. [44]
Ремонт проводил экипаж МКС 61-й экспедиции . В выход в открытый космос входили командир экспедиции и астронавт ЕКА Лука Пармитано и астронавт НАСА Эндрю Морган . Им обоим помогали астронавты НАСА Кристина Кох и Джессика Меир , которые управляли роботизированной рукой Canadarm2 изнутри станции. Выходы в открытый космос были описаны как «самые сложные со времени [последнего] ремонта Хаббла ». [46]
Вся кампания по выходу в открытый космос стала центральной частью документального сериала Disney+ «Среди звезд» .
Первый выход в открытый космос состоялся 15 ноября 2019 года. Выход в открытый космос начался со снятия защитного щита, закрывающего AMS, который был сброшен и сгорел в атмосфере. Следующей задачей была установка трех поручней в непосредственной близости от AMS для подготовки к следующим выходам в открытый космос и снятие стяжек на вертикальной опорной стойке AMS. Затем последовали задачи «продвижения вперед»: Пармитано снял винты с крышки из углеродного волокна под изоляцией и передал крышку Моргану для сброса. Космонавты также сняли крышку вертикальной опорной балки. Продолжительность выхода в открытый космос составила 6 часов 39 минут. [47] [48]
Второй выход в открытый космос состоялся 22 ноября 2019 года. Пармитано и Морган разрезали в общей сложности восемь трубок из нержавеющей стали, включая одну, которая выпускала оставшийся углекислый газ из старого насоса охлаждения. Члены экипажа также подготовили кабель питания и установили механическое крепление перед установкой новой системы охлаждения. Продолжительность выхода в открытый космос составила 6 часов 33 минуты. [49]
Третий выход в открытый космос состоялся 2 декабря 2019 года. Экипаж выполнил основную задачу по установке модернизированной системы охлаждения, названной модернизированной системой тепловых насосов трекера (UTTPS), завершил подключение кабелей питания и данных для системы и подключил все восемь линий охлаждения от AMS к новой системе. Сложная работа по подключению потребовала сделать чистый срез для каждой существующей трубки из нержавеющей стали, подключенной к AMS, а затем подключить ее к новой системе с помощью обжима . [50]
Астронавты также выполнили дополнительную задачу по установке изолирующего одеяла на надирной стороне AMS, чтобы заменить тепловой экран и одеяло, которые они сняли во время первого выхода в открытый космос, чтобы начать ремонтные работы. Команда управления полетом на Земле инициировала включение системы и подтвердила прием питания и данных. [50]
Продолжительность выхода в открытый космос составила 6 часов 2 минуты. [50]
Четвертый выход в открытый космос состоялся 25 января 2020 года. Астронавты провели проверку герметичности системы охлаждения AMS и открыли клапан для повышения давления в системе. Пармитано обнаружил утечку в одной из линий охлаждения AMS. Утечка была устранена во время выхода в открытый космос. Предварительные испытания показали, что AMS реагировала так, как и ожидалось. [51] [52]
Наземные команды работали над заполнением новой системы терморегулирования AMS углекислым газом , позволили системе стабилизироваться и включили насосы для проверки и оптимизации их производительности. Трекер, один из нескольких детекторов на AMS, снова начал собирать научные данные до конца недели после выхода в открытый космос. [51]
Астронавты также выполнили дополнительную задачу по удалению испорченных фильтров объективов на двух видеокамерах высокой четкости. [51]
Продолжительность выхода в открытый космос составила 6 часов 16 минут. [51]
Около 1000 космических лучей регистрируются прибором в секунду, генерируя около одного ГБ/с данных. Эти данные фильтруются и сжимаются до примерно 300 кбит/с для загрузки в операционный центр POCC в ЦЕРНе.
Макет машины находится в операционном центре ЦЕРНа.
Детекторный модуль состоит из ряда детекторов, которые используются для определения различных характеристик излучения и частиц по мере их прохождения. Характеристики определяются только для частиц, проходящих сверху вниз. Частицы, которые попадают в детектор под любыми другими углами, отклоняются. Сверху вниз подсистемы идентифицируются как: [55]
AMS-02 использует уникальную среду космоса для углубления знаний о Вселенной и понимания ее происхождения путем поиска антиматерии, темной материи и измерения космических лучей . [42]
Экспериментальные данные указывают на то, что наша галактика состоит из материи ; однако ученые полагают, что в наблюдаемой Вселенной насчитывается около 100–200 миллиардов галактик, и некоторые версии теории Большого взрыва о происхождении Вселенной требуют равного количества материи и антиматерии. Теории, объясняющие эту кажущуюся асимметрию, нарушают другие измерения. Существует ли значительное количество антиматерии, является одним из фундаментальных вопросов происхождения и природы Вселенной. Любые наблюдения ядра антигелия предоставили бы доказательства существования антиматерии в космосе. В 1999 году AMS-01 установил новый верхний предел 10−6 для отношения потоков антигелия к гелию во Вселенной. AMS-02 был разработан для поиска с чувствительностью 10−9 , [ 19] улучшение на три порядка по сравнению с AMS-01 , достаточное, чтобы достичь края расширяющейся Вселенной и окончательно решить этот вопрос.
Видимая материя во Вселенной, такая как звезды, составляет менее 5 процентов от общей массы, которая, как известно из многих других наблюдений, существует. Остальные 95 процентов — это темная материя, либо темная материя, которая оценивается в 20 процентов от массы Вселенной, либо темная энергия , которая составляет остаток. Точная природа обоих до сих пор неизвестна. Одним из ведущих кандидатов на темную материю является нейтралино . Если нейтралино существуют, они должны сталкиваться друг с другом и выделять избыток заряженных частиц, которые может обнаружить AMS-02. Любые пики в фоновом потоке позитронов , антипротонов или гамма-лучей могут сигнализировать о присутствии нейтралино или других кандидатов на темную материю, но их необходимо отличать от плохо известных сбивающих с толку астрофизических сигналов.
Экспериментально обнаружено шесть типов кварков ( верхний , нижний , странный , очарованный , нижний и верхний ); однако большая часть материи на Земле состоит только из верхних и нижних кварков. Фундаментальным вопросом является то, существует ли стабильная материя, состоящая из странных кварков в сочетании с верхними и нижними кварками. Частицы такой материи известны как страпельки . Странпельки могут иметь чрезвычайно большую массу и очень малые отношения заряда к массе. Это была бы совершенно новая форма материи. AMS-02 может определить, существует ли эта необычная материя в нашей локальной среде.
Космическая радиация во время транзита является существенным препятствием для отправки людей на Марс . Точные измерения среды космических лучей необходимы для планирования соответствующих контрмер. Большинство исследований космических лучей проводятся с помощью приборов, установленных на воздушных шарах, время полета которых измеряется днями; эти исследования показали значительные изменения. AMS-02 работает на МКС , собирая большой объем точных данных и позволяя проводить измерения долгосрочных изменений потока космических лучей в широком диапазоне энергий для ядер от протонов до железа . Помимо понимания защиты от радиации, необходимой для астронавтов во время межпланетного полета , эти данные позволят идентифицировать межзвездное распространение и происхождение космических лучей.
К концу 2016 года сообщалось, что AMS-02 зафиксировал более 90 миллиардов космических лучей. [10]
В феврале 2013 года Сэмюэль Тинг сообщил, что за первые 18 месяцев работы AMS зарегистрировал 25 миллиардов событий с частицами, включая почти восемь миллиардов быстрых электронов и позитронов. [56] В статье AMS сообщалось об отношении позитронов к электронам в диапазоне масс от 0,5 до 350 ГэВ , что предоставило доказательства в пользу модели слабовзаимодействующих массивных частиц (WIMP) темной материи.
30 марта 2013 года пресс-служба ЦЕРНа объявила о первых результатах эксперимента AMS . [11] [12] [13] [14] [15] [16] [57] Первые физические результаты были опубликованы в Physical Review Letters 3 апреля 2013 года. [11] Всего было собрано 6,8×10 6 событий позитронов и электронов в диапазоне энергий от 0,5 до 350 ГэВ. Доля позитронов (от общего числа событий электронов и позитронов) неуклонно увеличивалась от энергий 10 до 250 ГэВ, но наклон уменьшался на порядок выше 20 ГэВ, хотя доля позитронов все еще увеличивалась. В спектре фракции позитронов не было тонкой структуры, и не наблюдалось никакой анизотропии . В сопроводительном Physics Viewpoint [58] говорится, что «первые результаты космического альфа-магнитного спектрометра подтверждают необъяснимый избыток высокоэнергетических позитронов в космических лучах, связанных с Землей». Эти результаты согласуются с позитронами, возникающими в результате аннигиляции частиц темной материи в космосе, но пока недостаточно убедительны, чтобы исключить другие объяснения. Тинг сказал: «В ближайшие месяцы AMS сможет окончательно сказать нам, являются ли эти позитроны сигналом для темной материи или имеют какое-то другое происхождение». [59]
18 сентября 2014 года новые результаты с почти вдвое большим объемом данных были представлены в докладе в ЦЕРНе и опубликованы в Physical Review Letters . [60] [61] [62] Было сообщено о новом измерении доли позитронов до 500 ГэВ, показывающем, что доля позитронов достигает максимума около 16% от общего числа событий электрон+позитрон, около энергии 275 ± 32 ГэВ. При более высоких энергиях, до 500 ГэВ, отношение позитронов к электронам снова начинает падать.
Команда AMS провела 3-дневную презентацию в ЦЕРНе в апреле 2015 года, представив новые данные о 300 миллионах протонных событий и потоке гелия. [63] В декабре 2016 года было обнаружено несколько сигналов, соответствующих ядрам антигелия среди нескольких миллиардов ядер гелия. Результат еще предстоит проверить, и в настоящее время команда пытается исключить возможное загрязнение. [64]
Исследование 2019 года с использованием данных космического гамма-телескопа Ферми НАСА обнаружило гало вокруг близлежащего пульсара Геминга . Ускоренные электроны и позитроны сталкиваются с близлежащим звездным светом. Столкновение усиливает свет до гораздо более высоких энергий. Только Геминга может быть ответственна за 20% высокоэнергетических позитронов, наблюдаемых экспериментом AMS-02. [65] По состоянию на 2021 год AMS-02 на МКС зарегистрировал восемь событий, которые, по-видимому, указывают на обнаружение антигелия-3. [66] [67]
За двенадцать лет на борту МКС AMS накопил набор данных из более чем 230 миллиардов космических лучей, охватывающих энергии, достигающие уровней нескольких ТэВ. Точные измерения, полученные магнитным спектрометром, позволяют представлять данные с точностью, приближающейся к ~1%. Особенно значимыми являются высокоэнергетические данные, касающиеся элементарных частиц, таких как электроны, позитроны, протоны и антипротоны, что представляет собой проблему для теоретических рамок. Кроме того, наблюдения ядер и изотопов выявляют энергетические зависимости, которые отклоняются от теоретических предсказаний. Обширный набор данных, собранный AMS, требует переоценки существующих моделей космоса, как обсуждалось на апрельском заседании APS в 2024 году. [68]
В статье использованы материалы, находящиеся в открытом доступе, со страницы проекта AMS. Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства .