Espectrômetro Alfa Magnético - Alpha Magnetic Spectrometer

Espectrômetro Alfa Magnético
ISS-50 EVA-1 (b) Alpha Magnetic Spectrometer.jpg
AMS-02 na treliça, visto durante uma caminhada no espaço da Expedição 50
Estatísticas do módulo
Parte de Estação Espacial Internacional
Data de lançamento 16 de maio de 2011 13:56:28 UTC ( 2011-05-16UTC13: 56: 28 )
Veículo de lançamento Space Shuttle Endeavour
Atracado 19 de maio de 2011
Massa 6.717 kg (14.808 lb)
Logotipo AMS-02
Renderização de computador

O Espectrômetro Alfa Magnético ( AMS-02 ) é um módulo experimental de física de partículas montado na Estação Espacial Internacional (ISS). O experimento é um experimento CERN reconhecido (RE1). O módulo é um detector que mede a antimatéria em raios cósmicos ; esta informação é necessária para entender a formação do Universo e buscar evidências de matéria escura .

O investigador principal é o físico de partículas Prêmio Nobel Samuel Ting . O lançamento do vôo STS-134 do ônibus espacial Endeavour transportando o AMS-02 ocorreu em 16 de maio de 2011, e o espectrômetro foi instalado em 19 de maio de 2011. Em 15 de abril de 2015, o AMS-02 registrou mais de 60 bilhões de eventos de raios cósmicos e 90 bilhões após cinco anos de operação desde sua instalação em maio de 2011.

Em março de 2013, o professor Ting relatou os resultados iniciais, dizendo que a AMS havia observado mais de 400.000 pósitrons , com a fração pósitron para elétron aumentando de 10 GeV para 250 GeV. (Resultados posteriores mostraram uma diminuição na fração de pósitron em energias acima de cerca de 275 GeV). Não houve "variação significativa ao longo do tempo, ou qualquer direção preferencial de chegada. Esses resultados são consistentes com os pósitrons originados da aniquilação de partículas de matéria escura no espaço, mas ainda não suficientemente conclusivos para descartar outras explicações." Os resultados foram publicados na Physical Review Letters . Dados adicionais ainda estão sendo coletados.

História

O espectrômetro magnético alfa foi proposto em 1995 pelo Antimatter Study Group , liderado pelo físico de partículas do MIT Samuel Ting, pouco depois do cancelamento do Superconductor Super Collider . O nome original do instrumento foi Antimatter Spectrometer , com o objectivo declarado de procurar antimatéria primordial, com uma resolução de destino da antimatéria / matéria ≈10 -9 . A proposta foi aceita e Ting se tornou o investigador principal .

AMS-01

O AMS-01 voou no espaço em junho de 1998 a bordo do Ônibus Espacial Discovery na STS-91 . É visível perto da parte traseira do compartimento de carga útil.
Uma visão detalhada do módulo AMS-01 (centro) montado no compartimento de carga útil do ônibus espacial para a missão STS-91 .

Um protótipo AMS designado AMS-01 , uma versão simplificada do detector, foi construído pelo consórcio internacional sob a direção de Ting e voou para o espaço a bordo do Ônibus Espacial Discovery em STS-91 em junho de 1998. Por não detectar qualquer antiélio, o AMS-01 estabeleceu um limite superior de 1,1 × 10 -6 para a razão de fluxo de antihélio para hélio e provou que o conceito de detector funcionava no espaço. Esta missão de ônibus espacial foi o último vôo do ônibus espacial para a Estação Espacial Mir .

AMS-02

AMS-02 durante integração e teste no CERN perto de Genebra.

Após o vôo do protótipo, o grupo, agora denominado AMS Collaboration , iniciou o desenvolvimento de um sistema completo de pesquisa denominado AMS-02 . Este esforço de desenvolvimento envolveu o trabalho de 500 cientistas de 56 instituições e 16 países organizados sob o patrocínio do Departamento de Energia dos Estados Unidos (DOE).

O instrumento que eventualmente resultou de um longo processo evolutivo foi chamado de "o detector de partículas mais sofisticado já enviado ao espaço", rivalizando com os detectores muito grandes usados ​​nos principais aceleradores de partículas , e custou quatro vezes mais do que qualquer um de seus equivalentes terrestres . Seus objetivos também evoluíram e foram aprimorados ao longo do tempo. Quando construído, é um detector mais abrangente que tem uma chance melhor de descobrir evidências de matéria escura ao longo de outros objetivos.

Os requisitos de energia para AMS-02 foram considerados grandes demais para uma nave espacial independente prática. Portanto, o AMS-02 foi projetado para ser instalado como um módulo externo na Estação Espacial Internacional e usar a energia da ISS. O plano pós- Space Shuttle Columbia era entregar AMS-02 para a ISS por ônibus espacial em 2005 na missão de montagem da estação UF4.1 , mas dificuldades técnicas e problemas de programação do ônibus adicionaram mais atrasos.

O AMS-02 concluiu com sucesso a integração final e os testes operacionais no CERN em Genebra, Suíça, que incluíram a exposição a feixes de prótons energéticos gerados pelo acelerador de partículas CERN SPS . O AMS-02 foi então enviado por transportador especializado para as instalações do Centro Europeu de Pesquisa e Tecnologia Espacial (ESTEC) da ESA na Holanda, onde chegou em 16 de fevereiro de 2010. Aqui foi submetido a vácuo térmico, compatibilidade eletromagnética e testes de interferência eletromagnética . O AMS-02 foi programado para entrega no Kennedy Space Center na Flórida , Estados Unidos. no final de maio de 2010. No entanto, isso foi adiado para 26 de agosto, uma vez que o AMS-02 passou por um teste de feixe de alinhamento final no CERN.

AMS-02 durante o teste de alinhamento final no CERN poucos dias antes de ser transportado de avião para o Cabo Canaveral .
Linha de luz de SPS alimentando 20 pósitrons GeV para AMS para teste de alinhamento no momento da imagem.

Um sistema de ímã criogênico supercondutor foi desenvolvido para o AMS-02. Com os planos da administração de Obama de estender as operações da Estação Espacial Internacional para além de 2015, a administração da AMS decidiu trocar o ímã supercondutor AMS-02 pelo ímã não supercondutor anteriormente utilizado no AMS-01. Embora o ímã não supercondutor tenha uma força de campo mais fraca , seu tempo operacional em órbita na ISS deve ser de 10 a 18 anos, contra apenas três anos para a versão supercondutora. Em dezembro de 2018, foi anunciado que o financiamento do ISS foi estendido até 2030.

Em 1999, após o voo bem-sucedido do AMS-01, o custo total do programa AMS foi estimado em US $ 33 milhões, com o AMS-02 planejado para voar para a ISS em 2003. Após o desastre do ônibus espacial Columbia em 2003, e depois Uma série de dificuldades técnicas com a construção do AMS-02, o custo do programa disparou para cerca de US $ 2 bilhões.

Instalação na Estação Espacial Internacional

Uma imagem gerada por computador que mostra o AMS-02 montado no local de conexão de carga interna superior do ISS S3.
Localização do AMS na Estação Espacial Internacional (canto superior esquerdo).
AMS-02 instalado no ISS .

Por vários anos, era incerto se o AMS-02 algum dia seria lançado porque não foi manifestado para voar em nenhum dos voos restantes do ônibus espacial . Após o desastre do Columbia em 2003 , a NASA decidiu reduzir os voos do ônibus espacial e retirar os ônibus restantes até 2010. Vários voos foram removidos do manifesto restante, incluindo o vôo para o AMS-02. Em 2006, a NASA estudou maneiras alternativas de entregar o AMS-02 à estação espacial, mas todas provaram ser muito caras.

Em maio de 2008, um projeto de lei foi proposto para lançar AMS-02 para ISS em um vôo de ônibus espacial adicional em 2010 ou 2011. O projeto foi aprovado pela Câmara dos Deputados em 11 de junho de 2008. O projeto foi então submetido ao Senado de Comércio, Ciência e Comitê de Transporte onde também passou. Em seguida, foi emendado e aprovado pelo Senado em 25 de setembro de 2008, e foi aprovado novamente pela Câmara em 27 de setembro de 2008. Foi assinado pelo presidente George W. Bush em 15 de outubro de 2008. O projeto autorizou a NASA a adicionar outro ônibus espacial voo para o horário antes do programa do ônibus espacial ser descontinuado. Em janeiro de 2009, a NASA restaurou o AMS-02 para o manifesto do ônibus espacial. Em 26 de agosto de 2010, o AMS-02 foi entregue do CERN ao Kennedy Space Center por um Lockheed C-5 Galaxy .

Ele foi entregue na Estação Espacial Internacional em 19 de maio de 2011 como parte do vôo de montagem da estação ULF6 no vôo STS-134 , comandado por Mark Kelly . Ele foi removido do compartimento de carga do ônibus espacial usando o braço robótico do ônibus espacial e entregue ao braço robótico da estação para instalação. O AMS-02 é montado no topo da Estrutura de Treliça Integrada , no USS-02, o lado zenital do elemento S3 da treliça.

Operações, condições e reparos

O astronauta da ESA Luca Parmitano , preso ao braço robótico Canadarm2 , carrega o novo sistema de bomba térmica para AMS

Em abril de 2017, apenas uma das 4 bombas de refrigeração redundantes para os rastreadores de silício estava funcionando totalmente e os reparos estavam sendo planejados, apesar do AMS-02 não ter sido projetado para ser reparado no espaço. Em 2019, o último estava sendo operado de forma intermitente. Em novembro de 2019, após quatro anos de planejamento, ferramentas e equipamentos especiais foram enviados à ISS para reparos in loco que podem exigir quatro ou cinco EVAs . O refrigerante líquido de dióxido de carbono também foi reabastecido.

Os reparos foram conduzidos pela tripulação da ISS da Expedição 61 . Os caminhantes espaciais foram o comandante da expedição e astronauta da ESA Luca Parmitano , e o astronauta da NASA Andrew Morgan . Ambos foram assistidos pelas astronautas da NASA Christina Koch e Jessica Meir, que operaram o braço robótico Canadarm2 de dentro da Estação. As caminhadas espaciais foram descritas como "as mais desafiadoras desde [os últimos] reparos do Hubble ".

Primeira caminhada no espaço

A primeira caminhada no espaço foi conduzida em 15 de novembro de 2019. A caminhada no espaço começou com a remoção do escudo de detritos que cobre o AMS, que foi lançado para queimar na atmosfera. A próxima tarefa foi a instalação de três corrimãos nas proximidades do AMS para se preparar para as próximas caminhadas espaciais e as amarras removidas na escora de suporte vertical do AMS. Isso foi seguido pelas tarefas de "avançar": Luca Parmitano removeu os parafusos de uma tampa de fibra de carbono sob o isolamento e passou a tampa para Andrew Morgan descartar. Os caminhantes espaciais também removeram a cobertura da viga de suporte vertical. A duração da caminhada no espaço foi de 6 horas e 39 minutos.

Segunda caminhada no espaço

A segunda caminhada no espaço foi conduzida em 22 de novembro de 2019. Parmitano e Morgan cortaram um total de oito tubos de aço inoxidável, incluindo um que liberava o dióxido de carbono restante da bomba de resfriamento antiga. Os membros da tripulação também prepararam um cabo de força e instalaram um dispositivo de fixação mecânica antes de instalar o novo sistema de resfriamento. A duração da caminhada no espaço foi de 6 horas e 33 minutos.

Terceira caminhada no espaço

A terceira caminhada no espaço foi realizada em 2 de dezembro de 2019. A tripulação concluiu a tarefa principal de instalar o sistema de resfriamento atualizado, chamado de sistema de bomba térmica rastreador atualizado (UTTPS), completou as conexões de cabo de energia e dados para o sistema e conectou todos os oito linhas de resfriamento do AMS para o novo sistema. O intrincado trabalho de conexão exigia fazer um corte limpo para cada tubo de aço inoxidável existente conectado ao AMS e, em seguida, conectá-lo ao novo sistema por meio de estampagem .

Os astronautas também completaram uma tarefa adicional para instalar um cobertor isolante no lado nadir do AMS para substituir o escudo térmico e o cobertor que removeram durante a primeira caminhada no espaço para começar o trabalho de reparo. A equipe de controle de vôo na Terra iniciou o power-up do sistema e confirmou a recepção de energia e dados.

A duração da caminhada no espaço foi de 6 horas e 2 minutos.

Quarta caminhada no espaço

A caminhada espacial final foi conduzida em 25 de janeiro de 2020. Os astronautas realizaram verificações de vazamento no sistema de resfriamento do AMS e abriram uma válvula para pressurizar o sistema. Parmitano encontrou um vazamento em uma das linhas de resfriamento do AMS. O vazamento foi corrigido durante a caminhada no espaço. Os testes preliminares mostraram que o AMS estava respondendo conforme o esperado.

As equipes de solo estão trabalhando para preencher o novo sistema de controle térmico AMS com dióxido de carbono , permitir que o sistema se estabilize e ligar as bombas para verificar e otimizar seu desempenho. O rastreador, um dos vários detectores do AMS, começou a coletar dados científicos novamente antes do final da semana após a caminhada no espaço.

Os astronautas também concluíram uma tarefa adicional para remover filtros de lente degradados em duas câmeras de vídeo de alta definição.

A duração da caminhada no espaço foi de 6 horas e 16 minutos.

Especificações

  • Massa: 7.500 kg
  • Material estrutural: aço inoxidável
  • Potência: 2.500 W
  • Taxa de dados interna: 7 Gbit / s
  • Taxa de dados para o solo: 2 Mbit / s (típica, média)
  • Duração da missão primária: 10 a 18 anos
  • Vida útil: 3 anos.
  • Intensidade do campo magnético: 0,15 teslas produzido por um ímã de neodímio permanente de 1.200 kg
  • Ímã supercondutor original: 2 bobinas de nióbio-titânio a 1,8 K, produzindo um campo central de 0,87 teslas (não usado no dispositivo real)
  • O ímã de vôo AMS-02 foi alterado para a versão AMS-01 não supercondutor para estender a vida do experimento e resolver problemas de confiabilidade na operação do sistema supercondutor

Cerca de 1.000 raios cósmicos são registrados pelo instrumento por segundo, gerando cerca de um GB / s de dados. Esses dados são filtrados e compactados em cerca de 300 kbit / s para download no centro de operação POCC do CERN.

Projeto

O módulo detector consiste em uma série de detectores que são usados ​​para determinar várias características da radiação e das partículas à medida que passam. As características são determinadas apenas para partículas que passam de cima para baixo. As partículas que entram no detector em qualquer outro ângulo são rejeitadas. De cima para baixo, os subsistemas são identificados como:

  • O detector de radiação de transição mede as velocidades das partículas de maior energia;
  • O contador de tempo de vôo superior, junto com o contador de tempo de vôo inferior, mede as velocidades das partículas de energia mais baixa;
  • O rastreador de estrelas determina a orientação do módulo no espaço;
  • O rastreador de silício (9 discos entre 6 locais) mede as coordenadas de partículas carregadas no campo magnético;
    • Possui 4 bombas de refrigerante redundantes
  • O ímã permanente curva o caminho das partículas carregadas para que possam ser identificadas;
  • O contador anti-coincidência rejeita partículas perdidas que entram pelas laterais;
  • O detector Cherenkov de imagem em anel mede a velocidade de partículas rápidas com extrema precisão;
  • O calorímetro eletromagnético mede a energia total das partículas.

Objetivos científicos

O AMS-02 usará o ambiente único do espaço para avançar no conhecimento do Universo e levar ao entendimento de sua origem, pesquisando antimatéria, matéria escura e medindo raios cósmicos .

Antimatéria

Evidências experimentais indicam que nossa galáxia é feita de matéria ; no entanto, os cientistas acreditam que existem cerca de 100–200 bilhões de galáxias no Universo observável e algumas versões da teoria do Big Bang sobre a origem do Universo requerem quantidades iguais de matéria e antimatéria. As teorias que explicam essa aparente assimetria violam outras medidas. A existência ou não de antimatéria significativa é uma das questões fundamentais da origem e natureza do Universo. Quaisquer observações de um núcleo de antiélio forneceriam evidências da existência de antimatéria no espaço. Em 1999, o AMS-01 estabeleceu um novo limite superior de 10 −6 para a razão de fluxo antihélio / hélio no Universo. O AMS-02 foi projetado para pesquisar com uma sensibilidade de 10 -9 , uma melhoria de três ordens de magnitude em relação ao AMS-01 , o suficiente para alcançar a borda do Universo em expansão e resolver o problema definitivamente.

Matéria escura

A matéria visível no Universo, como estrelas, soma menos de 5 por cento da massa total que se sabe existir a partir de muitas outras observações. Os outros 95% são escuros, ou matéria escura, estimada em 20% do universo em peso, ou energia escura , que compõe o equilíbrio. A natureza exata de ambos ainda é desconhecida. Um dos principais candidatos à matéria escura é o neutralino . Se existirem neutralinos, eles devem estar colidindo entre si e emitindo um excesso de partículas carregadas que podem ser detectadas pelo AMS-02. Quaisquer picos no fluxo de pósitron , antipróton ou gama de fundo poderiam sinalizar a presença de neutralinos ou outros candidatos de matéria escura, mas precisariam ser diferenciados de sinais astrofísicos confusos pouco conhecidos .

Strangelets

Seis tipos de quarks (para cima , para baixo , estranho , charme , inferior e superior ) foram encontrados experimentalmente; entretanto, a maioria da matéria na Terra é composta apenas de quarks up e down. É uma questão fundamental se existe matéria estável composta de quarks estranhos em combinação com quarks up e down. As partículas dessa matéria são conhecidas como strangelets . Os strangelets podem ter uma massa extremamente grande e uma razão carga-massa muito pequena. Seria uma forma totalmente nova de matéria. O AMS-02 pode determinar se este assunto extraordinário existe em nosso ambiente local.

Ambiente de radiação espacial

A radiação cósmica durante o trânsito é um obstáculo significativo para o envio de humanos a Marte . Medições precisas do ambiente de raios cósmicos são necessárias para planejar contra-medidas apropriadas. A maioria dos estudos de raios cósmicos é feita por instrumentos transportados por balões com tempos de vôo medidos em dias; esses estudos mostraram variações significativas. O AMS-02 opera na ISS , reunindo uma grande quantidade de dados precisos e permitindo medições da variação de longo prazo do fluxo de raios cósmicos em uma ampla faixa de energia, para núcleos de prótons a ferro . Além de compreender a proteção radiológica necessária aos astronautas durante o vôo interplanetário , esses dados permitirão identificar a propagação interestelar e a origem dos raios cósmicos.

Resultados

Em julho de 2012, foi relatado que AMS-02 havia observado mais de 18 bilhões de raios cósmicos.

Em fevereiro de 2013, Samuel Ting relatou que em seus primeiros 18 meses de operação o AMS registrou 25 bilhões de eventos de partículas, incluindo quase oito bilhões de elétrons rápidos e pósitrons. O artigo AMS relatou a razão pósitron-elétron na faixa de massa de 0,5 a 350 GeV , fornecendo evidências sobre o modelo de partícula massiva de interação fraca (WIMP) da matéria escura.

Em 30 de março de 2013, os primeiros resultados da experiência AMS foram anunciados pela assessoria de imprensa do CERN . Os primeiros resultados físicos foram publicados na Physical Review Letters em 3 de abril de 2013. Um total de 6,8 × 10 6 pósitrons e eventos de elétrons foram coletados na faixa de energia de 0,5 a 350 GeV. A fração de pósitrons (do elétron total mais eventos de pósitrons) aumentou constantemente de energias de 10 a 250 GeV, mas a inclinação diminuiu em uma ordem de magnitude acima de 20 GeV, embora a fração de pósitrons ainda aumentasse. Não houve estrutura fina no espectro da fração de pósitrons e não foram observadas anisotropias . O anexo Physics Viewpoint disse que "Os primeiros resultados do Espectrômetro Magnético Alfa do espaço confirmam um excesso inexplicável de pósitrons de alta energia nos raios cósmicos ligados à Terra." Esses resultados são consistentes com os pósitrons originados da aniquilação de partículas de matéria escura no espaço, mas ainda não suficientemente conclusivos para descartar outras explicações. Ting disse: "Nos próximos meses, o AMS será capaz de nos dizer conclusivamente se esses pósitrons são um sinal para a matéria escura ou se eles têm alguma outra origem."

Em 18 de setembro de 2014, novos resultados com quase o dobro de dados foram apresentados em uma palestra no CERN e publicados na Physical Review Letters . Uma nova medição da fração de pósitron até 500 GeV foi relatada, mostrando que o pico da fração de pósitron atinge um máximo de cerca de 16% do total de eventos elétron + pósitron, em torno de uma energia de 275 ± 32 GeV. Em energias mais altas, até 500 GeV, a proporção de pósitrons para elétrons começa a cair novamente.

O AMS foi apresentado por 3 dias no CERN em abril de 2015, cobrindo novos dados sobre 300 milhões de eventos de prótons e fluxo de hélio. Ele revelou em dezembro de 2016 que havia descoberto alguns sinais consistentes com núcleos de anti-hélio em meio a vários bilhões de núcleos de hélio. O resultado ainda precisa ser verificado e a equipe está tentando descartar contaminação.

Um estudo de 2019, usando dados do Telescópio Espacial Fermi Gamma-ray da NASA, descobriu um halo em torno do pulsar Geminga . Os elétrons e pósitrons acelerados colidem com a luz das estrelas próximas. A colisão aumenta a luz para energias muito mais altas. Geminga sozinha pode ser responsável por até 20% dos pósitrons de alta energia vistos pelo experimento AMS-02.

O AMS-02 da ISS registrou, até 2021, oito eventos que parecem indicar a detecção do anti-hélio-3.

Veja também

Referências

Domínio público Este artigo incorpora  material de domínio público do documento da National Aeronautics and Space Administration : "AMS project page" .

Leitura adicional

links externos