알파 자기 분광계

Alpha Magnetic Spectrometer
알파 자기 분광계
ISS-50 EVA-1 (b) Alpha Magnetic Spectrometer.jpg
Expedition 50 우주 유영 중 본 트러스 위의 AMS-02
모듈 통계 정보
일부국제 우주 정거장
발매일2011년 5월 16일 13:56:28 (2011-05-16)UTC 13:56:28[1][2][3]) UTC
발사체우주왕복선 엔데버
버티드2011년 5월 19일
덩어리6,717 kg (14,808파운드)
AMS-02 로고
컴퓨터 렌더링

알파 자기 분광계(AMS-02)는 국제우주정거장(ISS)[4]에 장착된 입자 물리학 실험 모듈입니다.이 실험은 공인된 CERN 실험(RE1)[5][6]입니다.이 모듈은 우주선의 반물질을 측정하는 검출기입니다. 이 정보는 우주의 형성을 이해하고 암흑물질의 증거를 찾기 위해 필요합니다.

주요 연구자는 노벨상 수상자인 입자 물리학자 사무엘 팅이다.AMS-02를 탑재한 우주왕복선 인데버 STS-134의 발사는 2011년 5월 16일에 이루어졌으며, 분광계는 2011년 [7][8]5월 19일에 설치되었다.2015년 4월 15일까지 [10]AMS-02는 600억 개 이상의 우주선이[9] 발생했으며 2011년 5월 설치 이후 5년 만에 900억 개의 우주선이 발생하였다.

2013년 3월, 팅 교수는 AMS가 40만 개 이상의 양전자를 관찰했으며, 양전자 대 전자 분율이 10GeV에서 250GeV로 증가했다고 최초 결과를 보고했다(나중의 결과는 약 275GeV 이상의 에너지에서 양전자 분율이 감소하는 것을 보여주었다)."시간 경과에 따른 유의한 변화나 선호하는 유입 방향은 없었다.이러한 결과는 우주에서의 암흑 물질 입자의 전멸에서 비롯된 양전자와 일치하지만, 아직 다른 설명을 배제할 만큼 충분히 결정적인 것은 아닙니다."결과는 Physical Review [11]Letters에 게재되었습니다.추가 데이터는 아직 [11][12][13][14][15][16][17]수집 중입니다.

역사

알파 자기 분광계는 초전도 슈퍼 가속기가 취소된 지 얼마 되지 않은 1995년 MIT 입자 물리학자 사무엘 팅이 이끄는 반물질 연구 [18][4]그룹에 의해 제안되었다.이 계측기의 원래 이름은 반물질 분광계(Antemator Spectrometer)[4][18][19]로, 초기 반물질 탐색을 목적으로 하며, 목표 분해능은 10 [18][19]이하이다−9.그 제안은 받아들여졌고 팅은 수석 [20]조사관이 되었다.

AMS-01

AMS-01은 1998년 6월 STS-91을 타고 우주왕복선 디스커버리호를 타고 우주로 날아갔다.페이로드 베이의 후면 부근에서 볼 수 있습니다.
STS-91 임무를 위해 셔틀 페이로드 베이에 장착된 AMS-01 모듈(중앙)의 상세도.

검출기의 단순화된 버전인 AMS-01로 명명된 AMS 프로토타입은 팅의 지시로 국제 컨소시엄에 의해 제작되어 1998년 6월 STS-91을 타고 우주왕복선 디스커버리호를 타고 우주로 날아갔다.AMS-01은 어떠한 항헬륨도 검출하지 않음으로써 항헬륨 대 헬륨[21] 플럭스비의 상한을 1−6.1×10으로 설정하고 검출기 개념이 우주에서 유효함을 증명했다.이 우주왕복선 미션은 미르 우주정거장으로 가는 마지막 우주왕복선 비행이었다.

AMS-02

제네바 인근 CERN에서 통합 및 테스트 중에 AMS-02가 검출되었습니다.

시제품의 비행 후, 현재 AMS 콜라보레이션으로 명명된 이 그룹은 AMS-02로 명명된 완전한 연구 시스템의 개발을 시작했다.이 개발 노력에는 미국 에너지부(DOE)의 후원으로 조직된 56개 기관과 16개국 500명의 과학자들이 참여했다.

오랜 진화 과정으로 결국 탄생한 이 장비는 "우주로 보내진 가장 정교한 입자 검출기"라고 불리며, 주요 입자 가속기에서 사용되는 매우 큰 검출기에 필적하며, 지상에 있는 다른 어떤 것보다 4배나 많은 비용이 들었다.그것의 목표 또한 시간이 지남에 따라 발전하고 개선되었다.그것은 다른 목표를 [22]따라 암흑물질의 증거를 발견할 수 있는 보다 포괄적인 검출기이다.

AMS-02의 전력 요건은 실용적이고 독립적인 우주선에 비해 너무 큰 것으로 생각되었다.그래서 AMS-02는 국제우주정거장에 외부 모듈로 설치되고 ISS의 전력을 사용하도록 설계되었다.컬럼비아 우주왕복선 이후 계획은 2005년 우주왕복선을 통해 우주왕복선 UF4.1을 통해 ISS에 AMS-02를 전달할 예정이었으나 기술적 어려움과 셔틀 일정 문제로 인해 지연이 [23]더해졌다.

AMS-02는 스위스 제네바에 있는 CERN에서 CERN SPS 입자 [24][25]가속기에 의해 생성된 에너지 양성자 빔에 대한 노출을 포함한 최종 통합 및 운영 테스트를 성공적으로 완료했습니다.이후 AMS-02는 전문 운송업자에 의해 네덜란드에 있는 ESA의 유럽우주연구기술센터(ESEC) 시설로 운송되어 2010년 2월 16일에 도착했다.여기서 열진공, 전자파 적합성 및 전자파 간섭 시험을 거쳤습니다.AMS-02는 미국 플로리다에 있는 케네디 우주 센터로 배달될 예정이었다.2010년 [7]5월 하순.그러나 AMS-02가 [26][27]CERN에서 최종 얼라인먼트 빔 테스트를 받았기 때문에 8월 26일로 연기되었습니다.

케이프 커내버럴로 공수되기 며칠 전에 CERN에서 최종 정렬 테스트 중에 AMS-02가 발견되었습니다.
20 GeV 양전자를 AMS에 공급하는 SPS로부터의 빔라인으로, 화상의 시점에서의 얼라인먼트테스트를 실시합니다.

극저온 초전도 자석 시스템이 AMS-02용으로 개발되었습니다.오바마 행정부가 국제우주정거장 운영을 2015년 이후로 연장할 계획인 가운데, AMS 경영진은 AMS-02 초전도 자석을 이전에 AMS-01에 실려 있던 비초전도 자석과 교환하기로 결정했다.비초전도 자석은 전계 강도가 약하지만 ISS에서의 온오빗 작동 시간은 초전도 버전의 경우 3년에 [28]불과하지만 10년에서 18년이 될 것으로 예상됩니다.2018년 12월 ISS에 대한 자금 지원이 [29]2030년까지 연장되었다고 발표했다.

1999년 AMS-01의 성공적인 비행 후, AMS 프로그램의 총 비용은 3,300만 달러로 추정되었으며, 2003년에는 [30]AMS-02가 ISS로 비행할 계획이었다.2003년 우주왕복선 컬럼비아호 참사와 AMS-02의 건설과 관련된 여러 기술적 어려움 이후, 이 프로그램의 비용은 약 20억 [31][32]달러로 불어났다.

국제우주정거장 설치

ISS S3 Upper Inboard Payload Attach 사이트에 탑재된 AMS-02를 나타내는 컴퓨터 생성 이미지.
국제우주정거장의 AMS 위치(왼쪽 위).
AMS-02가 ISS에 설치되어 있습니다.

AMS-02는 남은 우주왕복선 [33]비행편 중 어느 것도 비행할 수 없다는 것이 입증되지 않았기 때문에 몇 년 동안 발사될 수 있을지는 불확실했다.2003년 콜롬비아 참사 이후 나사는 셔틀 비행을 줄이고 2010년까지 나머지 셔틀을 폐기하기로 결정했다.AMS-02를 [20]위한 비행을 포함하여 많은 비행편들이 나머지 명단에서 제거되었다.2006년에 NASA는 AMS-02를 우주정거장으로 운반하는 다른 방법을 연구했지만 모두 너무 [33]비쌌다.

2008년 5월, 2010년 [35]또는 2011년에 추가 셔틀 비행으로 ISS에 AMS-02를 발사하는 법안이[34] 발의되었다.그 법안은 2008년 [36]6월 11일 하원에서 통과되었다.이 법안은 상원 상무과학교통위원회로 넘어가 통과되었다.그 후 2008년 9월 25일 상원에서 개정되어 통과되었으며,[37] 2008년 9월 27일 하원에서 다시 통과되었다.2008년 [38][39]10월 15일 조지 W. 부시 대통령이 서명했다.이 법안은 NASA가 우주왕복선 프로그램이 중단되기 전에 일정에 또 다른 우주왕복선 비행을 추가할 수 있도록 승인했다.2009년 1월 NASA는 AMS-02를 우주왕복선 목록으로 복원했다.2010년 8월 26일, AMS-02는 록히드 C-5 [40]은하에 의해 CERN에서 케네디 우주 센터로 보내졌습니다.

2011년 5월 19일 Mark [41]Kelly가 지휘하는 우주왕복선 STS-134편 ULF6 비행의 일부로 국제우주정거장에 배달되었다.그것은 우주왕복선의 로봇팔을 사용하여 우주왕복선 화물칸에서 제거되었고 설치를 위해 우주정거장의 로봇팔로 넘겨졌다.AMS-02는 트러스 [42]S3 요소의 천정측인 USS-02의 통합 트러스 구조 상단에 장착됩니다.

운용, 상태 및 수리

Canadarm2 로봇 팔에 부착된 ESA 우주인 Luca Parmitano는 AMS를 위한 새로운 열 펌프 시스템을 운반합니다.

2017년 4월까지 실리콘 추적기용 예비 냉각수 펌프 4개 중 1개만 완전히 작동했으며, AMS-02는 [43][44]우주에서 서비스하도록 설계되지 않았음에도 불구하고 수리가 계획되어 있었습니다.2019년에는 마지막 1대가 [44]간헐적으로 운영되었습니다.2019년 11월,[44] 4년간의 계획 끝에 ISS에 특수 공구와 장비를 보내 4~5대의 [45]EVA가 필요할 수 있는 현장 수리를 실시했다.액체 이산화탄소 냉각수도 [44]보충되었다.

그 수리는 탐험대 61의 ISS 승무원에 의해 수행되었다.우주 유영자들은 탐험대 지휘관이자 ESA 우주인 루카 파르미타노와 NASA 우주인 앤드류 모건이었다.두 사람 모두 NASA 우주인 크리스티나 코흐와 제시카 메이어가 우주 정거장 안에서 카나다름2 로봇 팔을 조작했다.이 우주 유영은 "허블 망원경 [46]수리 이후 가장 어려운 것"으로 묘사되었다.

우주 유영 캠페인 전체가 디즈니+ 도큐서리의 중심적인 특징이었다.

첫 번째 우주 유영

첫 번째 우주 유영은 2019년 11월 15일에 이루어졌다.우주 유영은 AMS를 덮고 있던 파편 보호막을 제거하는 것으로 시작되었는데, AMS는 대기 중에 타버리기 위해 버려졌다.다음 작업은 다음 우주 유영을 준비하기 위해 AMS 근처에 난간 3개를 설치하고 AMS의 수직 지지 기둥에 있는 지퍼 넥타이를 제거하는 것이었다.그 후, 「Go Aud」작업이 계속되었습니다.Luca Parmitano는 절연체 아래에 있는 탄소 섬유 커버에서 나사를 제거하고 커버를 Andrew Morgan에게 넘겨 버렸습니다.우주 유영자들은 수직 지지대 빔 커버도 제거했다.우주 유영 시간은 6시간 39분이었다.[47][48]

두 번째 우주 유영

두 번째 우주 유영은 2019년 11월 22일에 이루어졌다.Parmitano와 Morgan은 구형 냉각 펌프에서 남아 있는 이산화탄소를 배출한 튜브를 포함하여 총 8개의 스테인리스강 튜브를 절단했습니다.승무원들은 또한 새로운 냉각 시스템을 설치하기 전에 전원 케이블을 준비하고 기계식 부착 장치를 설치했다.우주 유영 시간은 6시간 33분이었다.[49]

세 번째 우주 유영

세 번째 우주 유영은 2019년 12월 2일에 이루어졌다.승무원들은 업그레이드된 Tracker Thermal Pump System(UTTPS)이라 불리는 업그레이드된 냉각 시스템을 설치하는 주요 작업을 완료하고 시스템의 전원 및 데이터 케이블 연결을 완료했으며 AMS에서 새로운 시스템으로 8개의 냉각 라인을 모두 연결했습니다.복잡한 연결 작업에서는 AMS에 연결된 각 기존 스테인리스강 튜브를 깔끔하게 절단한 다음 [50]스와이징을 통해 새 시스템에 연결해야 했습니다.

우주인들은 또한 AMS의 가장 낮은 쪽에 단열재 담요를 설치하여 방열판을 교체하고 수리 작업을 시작하기 위해 첫 번째 우주 유영에서 제거한 담요를 교체하는 추가 작업을 완료했습니다.지구 비행 관제팀은 시스템의 전원을 켜고 전력과 [50]데이터의 수신을 확인했다.

우주 유영 시간은 6시간 [50]2분이었다.

네 번째 우주 유영

마지막 우주 유영은 2020년 1월 25일에 이루어졌다.우주비행사들은 AMS의 냉각 시스템에 대한 누출 점검을 실시했고 시스템을 가압하기 위해 밸브를 열었다.파미타노는 AMS 냉각 라인 중 하나에서 누출을 발견했어요우주 유영 중에 누출이 수리되었다.예비 테스트 결과 AMS는 [51][52]예상대로 반응했습니다.

지상 팀은 새로운 AMS 열제어 시스템에 이산화탄소를 채우고 시스템이 안정되도록 하며 펌프의 성능을 검증하고 최적화하기 위해 펌프의 전원을 켜기 위해 노력하고 있습니다.AMS의 여러 탐지기 중 하나인 추적기는 우주 [51]유영 후 주말 전에 과학 데이터를 다시 수집하기 시작했다.

우주인들은 또한 두 대의 고화질 비디오 [51]카메라에서 열화된 렌즈 필터를 제거하기 위한 추가 작업을 완료했다.

우주 유영 시간은 6시간 16분이었다.[51]

사양

  • 질량: 7,500 kg
  • 구조 재료:스테인리스강
  • 전원: 2,500 W
  • 내부 데이터 레이트: 7 기가비트/초
  • 접지 데이터 레이트: 2 Mbit/s (표준, 평균)[53]
  • 프라이머리 미션 기간: 10~18년
  • 설계 수명: [44]3년
  • 자기장 강도: 1,200kg의 영구 네오디뮴[53] 자석으로 0.15테슬라 생성
  • 오리지널 초전도 자석 : 1.8K에서 니오브티타늄 코일 2개로 중심장 0.87테슬라[54](실제 장치에서는 사용되지 않음)
  • AMS-02 비행 자석은 실험 수명을 연장하고 초전도 시스템 작동의 신뢰성 문제를 해결하기 위해 비초전도 AMS-01 버전으로 변경되었다.

초당 약 1,000개의 우주선이 계측기에 의해 기록되며, 약 1GB/sec의 데이터를 생성한다.이 데이터는 CERN의 운영 센터 POCC에 다운로드하기 위해 약 300kbit/s로 필터링 및 압축됩니다.

설계.

검출기 모듈은 방사선과 입자가 통과할 때 발생하는 다양한 특성을 결정하는 데 사용되는 일련의 검출기로 구성됩니다.특성은 위에서 아래로 통과하는 입자에 대해서만 결정됩니다.다른 각도로 검출기에 들어가는 입자는 거부됩니다.위에서 아래로 서브시스템은 다음과 [55]같이 식별됩니다.

  • 전이방사선검출기는 가장 높은 에너지 입자의 속도를 측정한다.
  • 비행 카운터의 상한 시간은 낮은 비행 카운터와 함께 낮은 에너지 입자의 속도를 측정합니다.
  • Star Tracker는 공간에서의 모듈의 방향을 결정합니다.
  • 실리콘 트래커(6개소 중 9개소)는 자기장 내 하전 입자의 좌표를 측정합니다.
    • 용장 냉각수 펌프 4개 탑재
  • 영구 자석은 하전 입자의 경로를 구부려 식별할 수 있도록 합니다.
  • 공생 방지 카운터는 측면을 통해 들어오는 부유 입자를 제거한다.
  • 링 이미징 체렌코프 검출기는 매우 정확하게 고속 입자의 속도를 측정합니다.
  • 전자 열량계는 입자의 총 에너지를 측정합니다.

과학적 목표

AMS-02는 우주의 독특한 환경을 이용해 우주에 대한 지식을 높이고 반물질과 암흑물질을 찾아 우주선을 [42]측정함으로써 우주의 기원을 파악할 수 있게 된다.

반물질

다음 항목도 참조하십시오.반물질

실험적인 증거는 우리 은하가 물질로 구성되어 있다는 것을 보여준다; 하지만 과학자들은 관측 가능한 우주에는 약 1,000억에서 2,000억 개의 은하가 있고 우주의 기원에 대한 빅뱅 이론의 일부 버전은 같은 양의 물질과 반물질을 필요로 한다고 믿는다.이러한 명백한 비대칭을 설명하는 이론은 다른 측정치에 위배된다.상당한 반물질이 존재하는지 여부는 우주의 기원과 본질에 대한 근본적인 질문 중 하나이다.항헬륨핵을 관찰하면 우주에 반물질이 존재한다는 증거를 얻을 수 있을 것이다.1999년 AMS-01은 우주의 항헬륨/헬륨 플럭스 비율에 대해 10의 새로운−6 상한을 설정했습니다.AMS-02는 AMS-01보다 3배 향상된 10의−9 [19]감도로 검색하도록 설계되었으며, 이는 팽창하는 우주의 가장자리에 도달하여 문제를 확실하게 해결하기에 충분합니다.

암흑 물질

다음 항목도 참조하십시오.암흑 물질

별과 같은 우주의 눈에 보이는 물질은 많은 다른 관측을 통해 존재하는 것으로 알려진 총 질량의 5퍼센트 미만을 더한다.다른 95퍼센트는 암흑 물질로, 무게로 우주의 20퍼센트로 추정되는 암흑 물질 또는 균형을 이루는 암흑 에너지입니다.둘 다 정확한 성질은 아직 알려지지 않았다.암흑물질의 유력한 후보 중 하나는 뉴트럴리노이다.중성미자가 존재할 경우 서로 충돌하여 AMS-02에 의해 검출될 수 있는 과도한 하전입자를 방출해야 한다.백그라운드 양전자, 반양성자 또는 감마선 플럭스의 피크는 중성자나 다른 암흑 물질 후보의 존재를 나타낼 수 있지만, 잘 알려지지 않은 교란 천체 물리 신호와 구별되어야 한다.

괴짜들

다음 항목도 참조하십시오.스트레인지릿

여섯 가지 종류의 쿼크가 실험적으로 발견되었지만, 지구상 물질의 대부분은 위아래 쿼크로만 구성되어 있습니다.업 쿼크와 다운 쿼크가 조합된 이상한 쿼크로 구성된 안정적인 물질이 존재하는지 여부는 근본적인 의문이다.이런 물질의 입자는 기묘한 것으로 알려져 있다.스트레인지렛은 매우 큰 질량과 매우 작은 전하 대 질량 비율을 가질 수 있습니다.그것은 완전히 새로운 형태의 물질이 될 것이다.AMS-02는, 이 특별한 문제가 현지의 환경에 존재하는지 아닌지를 판별할 수 있습니다.

우주 방사선 환경

운송 중의 우주 방사선은 인간을 화성으로 보내는 데 있어 중대한 장애물이다.적절한 대책을 세우기 위해서는 우주선 환경의 정확한 측정이 필요합니다.대부분의 우주선 연구는 기구로 운반되는 기구로 이루어지며 비행 시간은 일 단위로 측정됩니다. 이러한 연구들은 상당한 변화를 보여 줍니다.AMS-02는 ISS에서 작동하며, 많은 양의 정확한 데이터를 수집하고 양성자에서 철에 이르는 원자핵에 대해 광범위한 에너지 범위에 걸쳐 우주선 플럭스의 장기적 변화를 측정할 수 있습니다.이 데이터는 행성간 비행 중 우주비행사에게 필요한 방사선 방호 기능을 이해하는 것 외에도 우주선의 성간 전파와 기원을 규명할 수 있도록 할 것이다.

결과.

2012년 7월에는 AMS-02가 180억 개 이상의 우주선을 [56]관측했다고 보고되었다.

2013년 2월, Samuel Ting은 AMS가 첫 18개월 동안 거의 80억 개의 빠른 전자와 [57]양전자를 포함하여 250억 개의 입자 이벤트를 기록했다고 보고했다.AMS 논문은 0.5GeV에서 350GeV의 질량 범위에서 양전자 비율을 보고하여 암흑물질의 약하게 상호작용하는 질량 입자(WIMP) 모델에 대한 증거를 제공했다.

2013년 3월 30일, CERN 프레스 [11][12][13][14][15][16][58]오피스에서 AMS 실험의 첫 번째 결과가 발표되었습니다.첫 번째 물리학 결과는 2013년 [11]4월 3일 Physical Review Letters에 게재되었다.총 6.8×10의6 양전자와 전자 이벤트가 0.5~350GeV의 에너지 범위에서 수집되었다.(전체 전자 + 양전자 이벤트 중) 양전자 분율은 10 GeV의 에너지에서 250 GeV로 꾸준히 증가했지만, 양전자 분율이 여전히 증가했음에도 불구하고 기울기는 20 GeV 이상으로 감소하였다.양전자분율 스펙트럼에는 미세구조가 없었고, 이방성도 관찰되지 않았다.첨부된 물리학적[59] 관점은 "우주에 전달되는 알파 자기 분광계의 첫 번째 결과는 지구로 묶인 우주선에서 설명되지 않은 고에너지 양전자의 과잉을 확인시켜 준다"고 말했다.이러한 결과는 우주에서의 암흑 물질 입자의 전멸에서 비롯된 양전자와 일치하지만, 아직 다른 설명을 배제하기에는 충분히 결정적인 것은 아니다.팅은 "앞으로 몇 달 동안, AMS는 이 양전자들이 암흑 물질에 대한 신호인지, 혹은 그들이 다른 [60]기원을 가지고 있는지를 우리에게 결정적으로 알려줄 수 있을 것이다."라고 말했다.

2014년 9월 18일, CERN에서 열린 강연에서 거의 두 배에 달하는 데이터를 사용한 새로운 결과가 발표되었고 Physical Review [61][62][63]Letters에 발표되었습니다.최대 500GeV의 양전자 분율을 측정한 결과, 275±32GeV의 에너지 주변에서 양전자 분율이 총 전자+양전자 이벤트의 최대 약 16%에 도달하는 것으로 나타났다.500GeV까지 높은 에너지에서는 양전자와 전자의 비율이 다시 떨어지기 시작합니다.

AMS는 2015년 4월 CERN에서 3일간 발표되었으며, 3억 개의 양성자 이벤트와 헬륨 [64]플럭스에 대한 새로운 데이터를 다루었다.그것은 2016년 12월 수십억 개의 헬륨 원자핵에서 항헬륨 원자핵과 일치하는 몇 개의 신호를 발견했다고 밝혔다.결과는 아직 검증되지 않았으며 현재 오염 [65]가능성을 배제하기 위해 노력하고 있다.

NASA의 페르미 감마선 우주 망원경의 데이터를 사용하여 2019년의 한 연구는 근처의 펄서 제밍가 주변에서 후광을 발견했다.가속된 전자와 양전자가 근처의 별빛과 충돌합니다.충돌은 빛을 훨씬 더 높은 에너지로 증가시킨다.제밍가만 해도 AMS-02 실험에서 [66]볼 수 있는 고에너지 양전자의 20%를 차지할 수 있다.

ISS의 AMS-02는 2021년 현재 항헬륨-3의 [67][68]검출을 나타내는 8개의 이벤트를 기록하고 있다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

Public Domain이 문서에는 미국 항공우주국 문서의 퍼블릭 도메인 자료가 포함되어 있습니다."AMS project page".

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외부 링크

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