Comparación de los dos Imanes


Los contenedores “gemelos” para los dos imanes.

The two magnets "twin" cases.

La configuración de AMS-02 que se instalará finalmente en la ISS será la de Imán Permanente (PM). La razón principal de esta decisión es que el periodo de operación de la Estación Espacial Internacional (ISS) se ha extendido hasta el 2020 (incluso se considera ampliarlo hasta el 2028). Gracias a esta extensión, AMS-02 tendrá una oportunidad única para estudiar durante un periodo de diez años la composición de los Rayos Cósmicos con gran precisión y buscar la presencia de componentes raros. El Imán Superconductor (SCM) no podría estar operativo durante tanto tiempo.

newline

El Camino hacia la Decisión

El Imán Superconductor (SCM) comenzó a construirse en el año 2000 bajo el supuesto de que AMS-02 volvería a la Tierra después de permanecer acoplado a la ISS durante un periodo de tres años. Las pruebas de Vacío Térmico de la configuración AMS-02 SCM realizadas en ESTEC mostraron que al cabo de 3 años el Helio Superfluido se habrá evaporado y que el Imán Superconductor alcanzará la temperatura ambiente antes de volver a la Tierra.

A raíz del accidente del Columbia el 1 de Febrero del 2003, el programa del Transbordador Espacial sufrió cambios considerables y el número de misiones previstas se redujo al mínimo necesario para completar la instalación de la ISS y cumplir con los compromisos internacionales adquiridos. Incluso AMS-02 se eliminó del programa durante algunos años. Esto no paró el desarrollo del imán y de los detectores pero cuando AMS-02 volvió a incluirse en el programa estaba claro que el viaje era sólo de ida: una vez instalado en la ISS con la misión STS-134 el experimento nunca volvería a la Tierra . Por entonces, la fecha de lanzamiento estaba prevista para el 2010 y la ISS se suponía operativa hasta el 2015.

La decisión tomada a principios del 2010 de mantener la ISS operativa hasta, al menos, el año 2020 llevó a reconsiderar como muy interesante la opción del Imán Permanente y rápidamente se alcanzó un acuerdo entre la Colaboración AMS y la NASA.

Técnicamente, la configuración AMS-02 PM es más sencilla de operar que la SCM. No hace falta un contenedor de helio, no hay instrumentos criogénicos, etc. También se reduce un poco el peso y las medidas de seguridad son menos rigurosas. Puesto que los detectores de AMS-02 están diseñados para ser compatibles con ambas opciones (PM y SCM), la estructura del tanque de vacío es mecánicamente idéntica en ambos casos y la integración es muy parecida.

newline

newline

Resolución en la Rigidez para los dos diseños del imán de AMS-02. La línea verde es la diferencia entre la resolución del PM (azul) y la del SCM (roja). Para energías elevadas, las precisiones del PM y SCM son equivalentes y para bajas energías la diferencia es sólo del 10%.

El Nuevo Diseño

Un campo magnético curva la trayectoria de las partículas y las antipartículas en sentidos opuestos. La determinación del sentido de la curvatura permite distinguir entre materia y antimateria (esquierda-positiva, derecia-negativa). Desde el punto de vista experimental, podemos decir que cuanto más se “tuerza” la trayectoria de la partícula, más fácil es determinar el sentido de la curvatura.

El inconveniente de utilizar el PM es que la intensidad del campo magnético es 5 veces menor que la del SCM. Esto quiere decir que partículas cargadas de la misma energía (como las mostradas en la figura anterior) se “tuercen” menos en el campo proporcionado por el PM y, por tanto, la energía hasta la que podemos separar materia de antimateria es menor utilizando el PM en lugar del SCM.

Para paliar esta diferencia hemos optimizado la geometría del Detector de Trazas. La idea básica es aumentar el brazo de palanca de la medida de la traza extendiendo las medidas por encima y por debajo del imán. Con un brazo de palanca mayor somos más sensibles a pequeñas variaciones de la trayectoria de las partículas en el campo magnético y podemos recuperar las capacidades de AMS-02 para separar la materia de la antimateria.

La figura superior contiene una expresión aproximada del error relativo (porcentaje del error), ΔR/R, en la determinación de la rigidez mediante el Detector de Trazas. Podemos considerar ΔR/R como el porcentaje de error cometido en la determinación de la curvatura. Cuando ΔR/R es del 100%, la curvatura es tan pequeña que no podemos distinguir las trayectorias de partículas con carga positiva y de las de carga negativa. En ambas expresiones, ΔR/R aumenta al reducir el campo magnético y, por tanto, la precisión en la determinación de la curvatura es peor. Podemos mejorar este comportamiento aumentando el brazo de palanca (L).

La figura superior muestra la resolución esperada en la rigidez para protones en función de la rigidez. Con 9 planos del Detector de Trazas, la resolución de AMS-02 con el Imán Permanente es igual (dentro del 10% o menos) a la del Imán Superconductor.

La optimización del Detector de Trazas consiste en añadir dos planos adicionales al principio y al final del detector extendiendo con ellos el brazo de palanca de ~ 1 m a ~ 4 m. Estos dos planos adicionales se han construido redistribuyendo los elementos de los planos del Detector de Trazas que ya existían de modo que no es necesario construir ni nuevos planos ni incluir electrónica adicional.

newli

Fracción esperada de positrones y electrones para las dos configuraciones de AMS-02 considerando un modelo particular de Materia Oscura.

Capacidades Esperadas del Nuevo Diseño

Debido a la extensión del brazo de palanca se reduce el número de Rayos Cósmicos que traviesan el Detector de Trazas por segundo. Esto es debido a que, para un mismo diámetro, un cilindro más largo sustenta un ángulo de visión menor. Sin amargo, el número de Rayos Cósmicos que se recogen durante 10 años con la configuración PM es mayor que la que se obtendría en el escenario SCM. El mayor número de partículas recogidas aumenta la probabilidad de descubrir sucesos raros debidos a la antimateria primigenia o al resultado de aniquilaciones de Materia Oscura.

Como ejemplo, el número de positrones que se espera obtener en la configuración PM es entre 2 y 6 veces superior, dependiendo de la energía, al que se espera obtener con la configuración SCM. Los positrones son componentes raros en los Rayos Cósmicos y pueden ser una señal importante en la búsqueda indirecta de Materia Oscura.

De hecho, un tema de investigación importante en AMS-02 es la medida de la fracción entre positrones y electrones. PAMELA ha mostrado un exceso de positrones a altas energías y, aunque con mayor incertidumbre estadística, un efecto similar se había observado con anterioridad por HEAT y AMS-01. La discusión sobre la naturaleza de dicho exceso es un tema de actualidad. Una hipótesis posible es que sea debido a la aniquilación de Materia Oscura produciendo electrones y positrones en el estado final.

Las partículas de Materia Oscura están por todas partes e interaccionan muy débilmente con la materia normal de modo que la detección directa que se intenta realizar en laboratorios bajo tierra es muy difícil. Puesto que se supone que la Materia Oscura tiene una mesa elevada, la energía que se libera en su aniquilación es muy elevada. Esta energía se puede convertir en pares partícula-antipartícula corrientes (electrón-positrón, protón-antiprotón) de energías elevadas. El exceso de positrones observado por PAMELA se pueden interpretar asumiendo que los positrones de alta energía se han producido por las aniquilaciones de Materia Oscura que tienen lugar en nuestra galaxia.

Desde el punto de vista experimental, la identificación de electrones y positrones sobre el gran fondo de protones se realiza en AMS-02 utilizando el Detector de Transición de Radiación (TRD) y el Calorímetro Electromagnético (ECAL). La aceptancia geométrica de la nueva configuración del Detector de Trazas (STD) coincide con la del ECAL de modo que las partículas que pasan por el STD se miden también en el ECAL maximizando la aceptancia y la capacidad de identificación de electrones y positrones.

En la figura superior se muestran las capacidades del AMS-02 en la determinación de la fracción de positrones y electrones con la hipótesis de que las partículas de Materia Osura tienen una masa de 200 GeV. AMS-02 puede extender las medidas actuales (PAMELA, HEAT, AMS-01) a mayores energías indicando el descubrimiento de aniquilaciones de Materia Oscura.