Миссии 2011-го года: Магнитный альфа-спектрометр

В ходе последней миссии шаттла Endeavour [STS-134] в апреле 2011 года на МКС будет доставлено уникальное научное оборудование - магнитный альфа-спектрометр [AMS, Alpha Magnetic Spectrometer]. Аппарат стал результатом работы 600-та ученых из 56-ти организации 16-ти стран мира, расположенных в Америке, Европе и Азии. На его создание ушло более 10 лет и $1,5 миллиарда.

НАУКА

Самая захватывающая цель AMS состоит в исследовании неизвестного, искать существующие в природе явления, которые мы еще не вообразили или не имели инструменты, чтобы их обнаружить. /Сэмюэл Тинг/

Космос – это величайшая лаборатория, где могут наблюдаться космические лучи с энергиями много большими, чем [достижимые] на любом ускорителе. AMS-2 – первый большой [орбитальный] магнитный спектрометр – будет использовать не имеющую аналогов космическую среду для продвижения знаний о Вселенной, содействовать пониманию ее структуры и начала, ища недостающее антивещество, исследуя происхождение темной материи и измеряя с высокой точностью состав космических лучей в мультитераэлектронвольтном диапазоне энергий. Кроме того, аппарат будет искать стрейнджлеты [strangelets] – гипотетические частицы, [являющиеся связанным состоянием приблизительно равного числа верхних, нижних и странных кварков].

Антивещество

Экспериментальные данные показывают, что наша галактика состоит из вещества, однако, во Вселенной более 10 миллиардов галактик и теория Большого взрыва предполагает, что в начале Вселенной было равное количество вещества и антивещества. Теории, что пытаются объяснить существующую асимметрию вещества-антивещества, не согласуются с прочими измерениями. Существуют ли до сих пор во Вселенной ядерное антивещество – это фундаментальный вопрос для современной физики космических лучей и космологии. Наблюдение даже одного ядра антигелия будет означать доказательство существования где-то во Вселенной антивещества в большом количестве. В 1998 году AMS-1 установил верхнюю границу для отношения потоков антигелий/гелий во Вселенной в 10^-6. AMS-2 достигнет чувствительности в 10^-9, что на три порядка лучше, чем AMS-1, это чрезвычайно расширит объем Вселенной, доступный для проверки на существование изначального антивещества.

Никогда в истории науки мы не были столь осведомлены о нашем невежестве: мы знаем, что мы не знаем ничего о том, что составляет 95% нашей Вселенной. /Роберто Баттистон/

Темная материя

Видимое [обычное] вещество во Вселенной [например, звезды] составляет менее 5% в полном балансе массы-энергии Вселенной. Оставшиеся 95% - «темные»: темная материя, которая по оценкам составляет 23% массы Вселенной, и темная энергия, которая подводит баланс. Природа обоих темных компонентов точно до сих пор неизвестна. Один из ведущих кандидатов в темную материю – это нейтралино. Если нейтралино существуют, то при столкновении друг с другом они произведут избыток заряженных или нейтральных частиц, что может быть обнаружено AMS-2. Аномальные пики или структуры в энергетических спектрах позитронов, антипротонов или гамма-лучей могут сигнализировать о существовании нейтралино или других кандидатов в темную материю.

Стрейнджлеты

Шесть типов кварков [u – верхний, d – нижний, s – странный, с – очарованный, b – красивый и t - истинный] были обнаружены экспериментально, тем не менее, все вещество Земли состоит только из кварков двух типов, верхнего [или протонного] и нижнего [или нейтронного]. Вопрос существования вещества, состоящего из трех кварков [верхнего, нижнего и странного], является фундаментальным. Предсказанное теоретически это вещество получило название стрейнджлеты. Стрейнджлеты могут обладать чрезвычайно большой массой и очень маленьким отношением заряда к массе. Они могли бы стать абсолютно новой формой вещества. Во время своей работы на МКС AMS-2 может обнаружить эту экзотическую форму вещества.

Космические лучи

AMS-2 будет работать на МКС 10+ лет, собирая огромный объем данных и определяя долгосрочные изменения потоков космических лучей и их состава, от протонов до железа, в широком диапазоне энергий. Эти данные улучшат наше понимание происхождения космических лучей и их распространения в межзвездной среде. Кроме того, четкое понимание космического излучения необходимо для пилотируемых межпланетных полетов, например, галактические космические лучи представляют значительное препятствие для пилотируемого полета на Марс, поэтому точные измерения потоков и состава первичных космических лучей необходимы для планирования соответствующих контрмер.

АППАРАТ

AMS-2 станет первым большим магнитным спектрометром, работающим в космосе. Это поставило перед конструкторами ряд уникальных задач, особенно при разработке магнитной системы, способной на длительную и безопасную эксплуатацию в условиях космоса. Высокий уровень радиации в космосе потребовал создания сверхзащищенной электроники, около 600 отдельных компьютеров используют особые [разработанные для физики высоких энергий] радиационно-стойкие микросхемы, работающие в 10 раз быстрее обычных для космических полетов.

Подсистемы AMS

Магнит – это сердце AMS. Благодаря магнитному полю AMS может отделять вещество от антивещества, а по радиусу кривизны траектории оценить импульс частицы. В рамках международного сотрудничества для AMS разрабатывались магнитные системы двух типов: на основе постоянного и сверхпроводящего магнитов.

Постоянный магнит, состоящий из тщательно намагниченных и собранных вместе 6000 блоков Ne-Fe-B, функционирует при температуре окружающей среды. Этот магнит был успешно использован в миссии аппарата AMS-1, доставленного шаттлом [STS 91] на космическую станцию Мир в 1998 году, а после возвращенного челноком на Землю.

Сверхпроводящий магнит работает лишь в условиях криогенных температур [при 1,8 K]. Он образован 14 катушками из сверхпроводящей ниобиевой проволоки, закрепленной на алюминиевом каркасе. Этот магнит работает при [силе тока] в 400 A и для поддержания низкой температуры требует непрерывного охлаждения 2500 литрами сверхтекучего гелия, который медленно испаряется. Это обстоятельство ограничивало бы срок работы AMS-2 3-мя годами.

Обе магнитные системы имеют одинаковые конфигурации магнитных полей [магическое кольцо], размеры [цилиндр один метр в диаметре и один метр в высоту] и интерфейсы. Уже в конце этого года было принято решение, что в состав AMS-2 войдет магнитная система на основе постоянного магнита, не имеющая [жестких] ограничений по сроку службы.

Детектор переходного излучения [TRD, Transition Radiation Detector] идентифицирует частицы по регистрации рентгеновского [переходного] излучения. При одной и той же энергии легкие частицы производят много более интенсивное переходное излучение, чем тяжелые.

Времяпролетная система [ToF, Time-of-Flight System] – является секундомером AMS. Система способна измерить время прохождения частицей AMS с точностью до 1,5*10^-10 секунд. Она содержит четыре сцинтилляционных счетчика, расположенных подвоя на расстоянии около 1,2 метра, поэтому система ToF способна измерять скорость частиц вплоть до 98% от скорости света. Кроме того, система служит для предупреждения других датчиков о приближении космических лучей.

Кремневый трекер [Silicon Tracker] служит для определения траектории частиц с точностью 10*10^-6 метра. Кроме того, он является одной из трех подсистем [наряду с ToF и RICH], которые могут определить величину заряда проходящей частицы.

Черенковский детектор RICH [RICH, Ring Imaging CHerenkov detector] служит для высокоточного [0,1%] измерения скорости частицы по геометрии излучения Черенкова.

Электромагнитный калориметр [ECAL, Electromagnetic Calorimeter] со средней плотностью в 6900 кг/м³ и массой в 496 килограмм состоит из 9 сверхплотных слоев. Падающие частицы порождают в глубине слоев ливни низкоэнергетических частиц, по которым можно идентифицировать частицы и их энергию.

Система антисовпадений [ACC, Anti-Coincidence Counter] – это Цербер AMS. AMS в состоянии анализировать только частицы, проходящие весь аппарат сверху вниз, поэтому частицы с большим углом падения не могут быть должным образом проанализированы и отбрасываются ACC.

<< Назад