Espectrómetro magnético alfa
El Espectrómetro Magnético Alfa (AMS-02) es un módulo experimental de física de partículas montado en la Estación Espacial Internacional (ISS). El experimento es un experimento reconocido del CERN (RE1). El módulo es un detector que mide la antimateria en los rayos cósmicos; esta información es necesaria para comprender la formación del Universo y buscar evidencia de materia oscura.
El investigador principal es el físico de partículas premio Nobel Samuel Ting. El lanzamiento del vuelo STS-134 del transbordador espacial Endeavor que transportaba AMS-02 tuvo lugar el 16 de mayo de 2011 y el espectrómetro se instaló el 19 de mayo de 2011. El 15 de abril de 2015 , AMS-02 había registrado más de 60 mil millones de eventos de rayos cósmicos y 90 mil millones después de cinco años de funcionamiento desde su instalación en mayo de 2011.
En marzo de 2013, el profesor Ting informó de los resultados iniciales, diciendo que AMS había observado más de 400.000 positrones, con una fracción de positrones a electrones aumentando de 10 GeV a 250 GeV. (Resultados posteriores han mostrado una disminución en la fracción de positrones a energías superiores a aproximadamente 275 GeV). No hubo ninguna variación significativa a lo largo del tiempo ni ninguna dirección entrante preferida. Estos resultados son consistentes con los positrones que se originaron a partir de la aniquilación de partículas de materia oscura en el espacio, pero aún no son lo suficientemente concluyentes como para descartar otras explicaciones." Los resultados se han publicado en Physical Review Letters. Todavía se están recopilando datos adicionales.
Historia
El espectrómetro magnético alfa fue propuesto en 1995 por el Grupo de Estudio de Antimateria, dirigido por el físico de partículas del MIT Samuel Ting, poco después de la cancelación del Supercolisionador superconductor. El nombre original del instrumento era Espectrómetro de antimateria, con el objetivo declarado de buscar antimateria primordial, con una resolución objetivo de antimateria/materia ≈10−9. La propuesta fue aceptada y Ting se convirtió en el investigador principal.
AMS-01
El consorcio internacional construyó un prototipo de AMS denominado AMS-01, una versión simplificada del detector, bajo la dirección de Ting y lo llevó al espacio a bordo del Space Shuttle Discovery en STS-91 en junio de 1998. Al no detectar ningún antihelio, el AMS-01 estableció un límite superior de 1,1×10−6 para la relación de flujo de antihelio a helio. y demostró que el concepto de detector funcionaba en el espacio. Esta misión del transbordador fue el último vuelo del transbordador a la Estación Espacial Mir.
AMS-02
Después del vuelo del prototipo, el grupo, ahora denominado Colaboración AMS, comenzó el desarrollo de un sistema de investigación completo denominado AMS-02. Este esfuerzo de desarrollo involucró el trabajo de 500 científicos de 56 instituciones y 16 países organizados bajo el patrocinio del Departamento de Energía de los Estados Unidos (DOE).
El instrumento que finalmente resultó de un largo proceso evolutivo ha sido llamado "el detector de partículas más sofisticado jamás enviado al espacio", rivalizando con los detectores muy grandes utilizados en los principales aceleradores de partículas, y ha costado cuatro veces más. como cualquiera de sus homólogos terrestres. Sus objetivos también han evolucionado y se han perfeccionado con el tiempo. Tal como está construido, es un detector más completo que tiene más posibilidades de descubrir evidencia de materia oscura junto con otros objetivos.
Se pensaba que los requisitos de energía para AMS-02 eran demasiado grandes para una nave espacial independiente práctica. Por eso, AMS-02 fue diseñado para instalarse como un módulo externo en la Estación Espacial Internacional y utilizar energía de la ISS. El plan posterior al transbordador espacial Columbia era entregar el AMS-02 a la ISS mediante un transbordador espacial en 2005 en la misión de montaje de la estación UF4.1, pero los aspectos técnicos Las dificultades y los problemas de programación del transporte agregaron más retrasos.
AMS-02 completó con éxito la integración final y las pruebas operativas en el CERN en Ginebra, Suiza, que incluyeron la exposición a haces de protones energéticos generados por el acelerador de partículas SPS del CERN. Luego, AMS-02 fue enviado por un transportista especializado a las instalaciones del Centro Europeo de Investigación y Tecnología Espaciales (ESTEC) de la ESA en los Países Bajos, donde llegó el 16 de febrero de 2010. Aquí se sometió a pruebas de vacío térmico, compatibilidad electromagnética e interferencia electromagnética. Estaba previsto que AMS-02 fuera entregado al Centro Espacial Kennedy en Florida, Estados Unidos. a finales de mayo de 2010. Sin embargo, esto se pospuso hasta el 26 de agosto, ya que AMS-02 se sometió a la prueba final de alineación del haz en el CERN.
Se desarrolló un sistema magnético superconductor criogénico para el AMS-02. Cuando la administración Obama extendió las operaciones de la Estación Espacial Internacional más allá de 2015, la dirección de AMS tomó la decisión de cambiar el imán superconductor AMS-02 por el imán no superconductor que anteriormente volaba en AMS-01. Aunque el imán no superconductor tiene una intensidad de campo más débil, se espera que su tiempo operativo en órbita en la ISS sea de 10 a 18 años, frente a sólo tres años para la versión superconductora. En diciembre de 2018 se anunció que la financiación de la ISS se había ampliado hasta 2030.
En 1999, después del exitoso vuelo del AMS-01, el costo total del programa AMS se estimó en $33 millones, y se planeó el vuelo del AMS-02 a la ISS en 2003. Después del desastre del transbordador espacial Columbia en 2003 , y después de una serie de dificultades técnicas con la construcción de AMS-02, el costo del programa se disparó a aproximadamente 2 mil millones de dólares.
Instalación en la Estación Espacial Internacional
Durante varios años no estaba claro si alguna vez se lanzaría el AMS-02 porque no se había demostrado que volara en ninguno de los vuelos restantes del Transbordador Espacial. Después del desastre del Columbia en 2003, la NASA decidió reducir los vuelos del transbordador y retirar los transbordadores restantes para 2010. Se eliminaron varios vuelos del manifiesto restante, incluido el vuelo del AMS-02. En 2006, la NASA estudió formas alternativas de llevar el AMS-02 a la estación espacial, pero todas resultaron demasiado caras.
En mayo de 2008, se propuso un proyecto de ley para lanzar el AMS-02 a la ISS en un vuelo adicional en 2010 o 2011. El proyecto de ley fue aprobado por la Cámara de Representantes en pleno el 11 de junio de 2008. Luego, el proyecto de ley pasó ante el Senado. Comité de Comercio, Ciencia y Transporte por donde también pasó. Luego fue enmendado y aprobado por el Senado en pleno el 25 de septiembre de 2008, y aprobado nuevamente por la Cámara el 27 de septiembre de 2008. Fue firmado por el presidente George W. Bush el 15 de octubre de 2008. El proyecto de ley autorizó a la NASA a agregar otro vuelo del transbordador espacial al cronograma antes de que se suspendiera el programa del transbordador espacial. En enero de 2009, la NASA restableció el AMS-02 en el manifiesto del transbordador. El 26 de agosto de 2010, el AMS-02 fue entregado desde el CERN al Centro Espacial Kennedy por un Lockheed C-5 Galaxy.
Fue entregado a la Estación Espacial Internacional el 19 de mayo de 2011, como parte del vuelo de montaje de la estación ULF6 en el vuelo del transbordador STS-134, comandado por Mark Kelly. Fue retirado del compartimento de carga del transbordador utilizando el brazo robótico del transbordador y entregado al brazo robótico de la estación para su instalación. AMS-02 está montado encima de la estructura de armadura integrada, en USS-02, el lado cenital del elemento S3 de la armadura.
Operaciones, estado y reparaciones
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En abril de 2017, solo una de las 4 bombas de refrigerante redundantes para los rastreadores de silicio estaba funcionando completamente y se estaban planificando reparaciones, a pesar de que AMS-02 no estaba diseñado para recibir mantenimiento en el espacio. Para 2019, el último estaba funcionando de forma intermitente. En noviembre de 2019, después de cuatro años de planificación, se enviaron herramientas y equipos especiales a la ISS para reparaciones in situ que pueden requerir cuatro o cinco EVA. También se repuso refrigerante líquido de dióxido de carbono.
Las reparaciones fueron realizadas por la tripulación de la Expedición 61 de la ISS. Los caminantes espaciales fueron el comandante de la expedición y astronauta de la ESA Luca Parmitano, y el astronauta de la NASA Andrew Morgan. Ambos contaron con la ayuda de las astronautas de la NASA Christina Koch y Jessica Meir, quienes operaron el brazo robótico Canadarm2 desde el interior de la Estación. Los paseos espaciales fueron descritos como "los más desafiantes desde [las últimas] reparaciones del Hubble".
Toda la campaña de la caminata espacial fue una característica central de la serie documental de Disney+ Among The Stars.
Primera caminata espacial
La primera caminata espacial se realizó el 15 de noviembre de 2019. La caminata espacial comenzó con la eliminación del escudo de desechos que cubría al AMS, que fue desechado para quemarse en la atmósfera. La siguiente tarea fue instalar tres pasamanos en las cercanías de AMS para preparar las próximas caminatas espaciales y quitar las bridas del AMS' puntal de soporte vertical. A esto le siguió la campaña de "salir adelante" Tareas: Luca Parmitano quitó los tornillos de una cubierta de fibra de carbono debajo del aislamiento y le pasó la cubierta a Andrew Morgan para que la desechara. Los caminantes espaciales también retiraron la cubierta de la viga de soporte vertical. La duración de la caminata espacial fue de 6 horas y 39 minutos.
Segunda caminata espacial
La segunda caminata espacial se realizó el 22 de noviembre de 2019. Parmitano y Morgan cortaron un total de ocho tubos de acero inoxidable, incluido uno que ventilaba el dióxido de carbono restante de la antigua bomba de enfriamiento. Los miembros de la tripulación también prepararon un cable de alimentación e instalaron un dispositivo de fijación mecánico antes de instalar el nuevo sistema de refrigeración. La duración de la caminata espacial fue de 6 horas y 33 minutos.
Tercera caminata espacial
La tercera caminata espacial se realizó el 2 de diciembre de 2019. La tripulación completó la tarea principal de instalar el sistema de enfriamiento mejorado, llamado sistema de bomba térmica de seguimiento mejorado (UTTPS), completó las conexiones de los cables de alimentación y datos para el sistema, y conectó las ocho líneas de enfriamiento del AMS al nuevo sistema. El complejo trabajo de conexión requirió hacer un corte limpio para cada tubo de acero inoxidable existente conectado al AMS y luego conectarlo al nuevo sistema mediante estampado.
Los astronautas también completaron una tarea adicional para instalar una manta aislante en el lado nadir del AMS para reemplazar el escudo térmico y la manta que quitaron durante la primera caminata espacial para comenzar el trabajo de reparación. El equipo de control de vuelo en la Tierra inició el encendido del sistema y confirmó la recepción de energía y datos.
La duración de la caminata espacial fue de 6 horas y 2 minutos.
Cuarta caminata espacial
La cuarta caminata espacial se realizó el 25 de enero de 2020. Los astronautas realizaron comprobaciones de fugas en el sistema de refrigeración del AMS y abrieron una válvula para presurizar el sistema. Parmitano encontró una fuga en una de las líneas de enfriamiento del AMS. La fuga se solucionó durante la caminata espacial. Las pruebas preliminares mostraron que el AMS estaba respondiendo como se esperaba.
Los equipos de tierra trabajaron para llenar el nuevo sistema de control térmico AMS con dióxido de carbono, permitieron que el sistema se estabilizara y encendieron las bombas para verificar y optimizar su rendimiento. El rastreador, uno de los varios detectores del AMS, comenzó a recopilar datos científicos nuevamente antes del final de la semana posterior a la caminata espacial.
Los astronautas también completaron una tarea adicional para eliminar los filtros de lentes degradados de dos cámaras de vídeo de alta definición.
La duración de la pasarela fue de 6 horas y 16 minutos.
Especificaciones
- Masa: 7.500 kilogramos (16.500 libras)
- Material estructural: Acero inoxidable
- Potencia: 2.500 W
- Tasa interna de datos: 7 Gbit/s
- Tasa de datos a tierra: 2 Mbit/s (típico, promedio)
- Duración de la misión primaria: 10 a 18 años
- Vida de diseño: 3 años.
- Intensidad de campo magnético: 0,15 teslas producidas por un imán de neodimio permanente de 1.200 kilogramos (2.600 lb)
- Imán de superconducción original: 2 bobinas de niobium-titanium a 1.8 K produciendo un campo central de 0,87 teslas (No utilizado en el dispositivo real)
- El iman de vuelo AMS-02 cambió a la versión AMS-01 no superconductora para ampliar la vida del experimento y resolver problemas de fiabilidad en el funcionamiento del sistema de superconducción
Alrededor de 1.000 rayos cósmicos son registrados por el instrumento por segundo, generando alrededor de un GB/seg de datos. Estos datos se filtran y comprimidos a unos 300 kbit/s para su descarga al centro de operaciones POCC en CERN.
Hay una maqueta de la máquina dentro del centro de operaciones del CERN.
Diseño
El módulo detector consta de una serie de detectores que se utilizan para determinar diversas características de la radiación y las partículas a medida que pasan. Las características se determinan solo para partículas que pasan de arriba a abajo. Las partículas que ingresan al detector en cualquier otro ángulo son rechazadas. De arriba a abajo los subsistemas se identifican como:
- El detector de radiación de transición mide las velocidades de las partículas de energía más altas;
- El tiempo superior del contador de vuelo, junto con el tiempo inferior del contador de vuelo, mide las velocidades de partículas de menor energía;
- El rastreador de estrellas determina la orientación del módulo en el espacio;
- El rastreador de silicona (9 discos entre 6 ubicaciones) mide las coordenadas de partículas cargadas en el campo magnético;
- Tiene 4 bombas de refrigeración redundantes
- El imán permanente dobla el camino de las partículas cargadas para que puedan identificarse;
- Anti-coincidencia contrarrechaza partículas perdidas que entran por los lados;
- Imágenes de anillo El detector Cherenkov mide velocidad de partículas rápidas con extrema precisión;
- El calorímetro electromagnético mide la energía total de las partículas.
Objetivos científicos
El AMS-02 utilizará el entorno único del espacio para avanzar en el conocimiento del Universo y conducir a la comprensión de su origen mediante la búsqueda de antimateria, materia oscura y la medición de rayos cósmicos.
Antimateria
La evidencia experimental indica que nuestra galaxia está hecha de materia; sin embargo, los científicos creen que hay entre 100 y 200 mil millones de galaxias en el Universo observable y algunas versiones de la teoría del Big Bang sobre el origen del Universo requieren cantidades iguales de materia y antimateria. Las teorías que explican esta aparente asimetría violan otras mediciones. Si existe o no una cantidad significativa de antimateria es una de las cuestiones fundamentales del origen y la naturaleza del Universo. Cualquier observación de un núcleo de antihelio proporcionaría evidencia de la existencia de antimateria en el espacio. En 1999, AMS-01 estableció un nuevo límite superior de 10−6 para la relación de flujo de antihelio/helio en el Universo. AMS-02 fue diseñado para buscar con una sensibilidad de 10−9, una mejora de tres órdenes de magnitud con respecto a AMS-01, suficiente para alcanzar el borde del Universo en expansión. y resolver el problema definitivamente.
Materia oscura
La materia visible en el Universo, como las estrellas, representa menos del 5 por ciento de la masa total que se sabe que existe a partir de muchas otras observaciones. El otro 95 por ciento es oscuridad, ya sea materia oscura, que se estima que representa el 20 por ciento del peso del Universo, o energía oscura, que constituye el resto. Aún se desconoce la naturaleza exacta de ambos. Uno de los principales candidatos a la materia oscura es el neutralino. Si existen neutralinos, deberían chocar entre sí y emitir un exceso de partículas cargadas que AMS-02 puede detectar. Cualquier pico en el flujo de fondo de positrones, antiprotones o rayos gamma podría indicar la presencia de neutralinos u otros candidatos a materia oscura, pero sería necesario distinguirlo de señales astrofísicas confusas poco conocidas.
Strangelets
Se han encontrado experimentalmente seis tipos de quarks (arriba, abajo, extraño, encantador, inferior y superior); sin embargo, la mayor parte de la materia de la Tierra está formada únicamente por quarks arriba y abajo. Es una cuestión fundamental si existe materia estable formada por quarks extraños en combinación con quarks arriba y abajo. Las partículas de dicha materia se conocen como extraños. Los Strangelets podrían tener una masa extremadamente grande y relaciones carga-masa muy pequeñas. Sería una forma de materia totalmente nueva. AMS-02 puede determinar si este asunto extraordinario existe en nuestro entorno local.
Entorno de radiación espacial
La radiación cósmica durante el tránsito es un obstáculo importante para enviar humanos a Marte. Se necesitan mediciones precisas del entorno de rayos cósmicos para planificar contramedidas apropiadas. La mayoría de los estudios de rayos cósmicos se realizan mediante instrumentos a bordo de globos y los tiempos de vuelo se miden en días; estos estudios han mostrado variaciones significativas. AMS-02 está operativo en la ISS, recopila una gran cantidad de datos precisos y permite medir la variación a largo plazo del flujo de rayos cósmicos en un amplio rango de energía, para núcleos desde protones hasta hierro. Además de comprender la protección radiológica necesaria para los astronautas durante los vuelos interplanetarios, estos datos permitirán identificar la propagación interestelar y los orígenes de los rayos cósmicos.
Resultados
En julio de 2012, se informó que AMS-02 había observado más de 18 mil millones de rayos cósmicos.
En febrero de 2013, Samuel Ting informó que en sus primeros 18 meses de funcionamiento, AMS había registrado 25 mil millones de eventos de partículas, incluidos casi ocho mil millones de electrones rápidos y positrones. El artículo de AMS informó sobre la relación positrón-electrón en el rango de masa de 0,5 a 350 GeV, proporcionando evidencia sobre el modelo de materia oscura de partículas masivas que interactúan débilmente (WIMP).
El 30 de marzo de 2013, la oficina de prensa del CERN anunció los primeros resultados del experimento AMS. Los primeros resultados de física se publicaron en Physical Review Letters el 3 de abril de 2013. Se recogieron un total de 6,8×106 eventos de positrones y electrones en el rango de energía de 0,5 a 350 GeV. La fracción de positrones (del total de eventos de electrones más positrones) aumentó constantemente desde energías de 10 a 250 GeV, pero la pendiente disminuyó en un orden de magnitud por encima de 20 GeV, aunque la fracción de positrones siguió aumentando. No hubo estructura fina en el espectro de la fracción de positrones y no se observaron anisotropías. El periódico Physics Viewpoint que lo acompaña decía que "los primeros resultados del espectrómetro magnético alfa espacial confirman un exceso inexplicable de positrones de alta energía en los rayos cósmicos con destino a la Tierra". Estos resultados son consistentes con los positrones que se originan por la aniquilación de partículas de materia oscura en el espacio, pero aún no son lo suficientemente concluyentes como para descartar otras explicaciones. Ting dijo: "Durante los próximos meses, AMS podrá decirnos de manera concluyente si estos positrones son una señal de materia oscura o si tienen algún otro origen".
El 18 de septiembre de 2014, se presentaron nuevos resultados con casi el doble de datos en una charla en el CERN y se publicaron en Physical Review Letters. Se informó sobre una nueva medición de la fracción de positrones de hasta 500 GeV, que muestra que la fracción de positrones alcanza un máximo de aproximadamente el 16% del total de eventos electrón+positrón, alrededor de una energía de 275 ± 32 GeV. A energías más altas, hasta 500 GeV, la proporción entre positrones y electrones comienza a disminuir nuevamente.
AMS se presentó durante 3 días en el CERN en abril de 2015 y abarcó nuevos datos sobre 300 millones de eventos de protones y flujo de helio. En diciembre de 2016 reveló que había descubierto algunas señales compatibles con núcleos de antihelio entre varios miles de millones de núcleos de helio. El resultado aún no se ha verificado y actualmente el equipo está intentando descartar una contaminación.
Un estudio de 2019, utilizando datos del Telescopio Espacial de Rayos Gamma Fermi de la NASA, descubrió un halo alrededor del cercano púlsar Geminga. Los electrones y positrones acelerados chocan con la luz de las estrellas cercanas. La colisión aumenta la luz a energías mucho más altas. Geminga por sí sola podría ser responsable de hasta el 20% de los positrones de alta energía observados en el experimento AMS-02. El AMS-02 de la ISS ha registrado, hasta 2021, ocho eventos que parecen indicar la detección de antihelio-3.
Durante un período de doce años a bordo de la ISS, el AMS ha acumulado un conjunto de datos que comprende más de 230 mil millones de rayos cósmicos, que abarcan energías que alcanzan niveles de varios TeV. Las mediciones precisas obtenidas por el espectrómetro magnético permiten la presentación de datos con una precisión cercana al ~1%. Particularmente significativos son los datos de alta energía relacionados con partículas elementales como electrones, positrones, protones y antiprotones, que presentan desafíos para los marcos teóricos actuales. Además, las observaciones de núcleos e isótopos revelan dependencias energéticas que se desvían de las predicciones teóricas. El extenso conjunto de datos recopilados por AMS requiere una reevaluación de los modelos existentes del cosmos, como se discutió en la reunión de abril de APS en 2024.