Das ECAL

Motivation

ECAL-300x122.jpgDas Positron hat die gleiche Ladung und das gleiche Ladungsvorzeichen wie das Proton, allerdings nur 1/2000stel der Masse des Protons. Ein hochenergetisches Positron kann die gleiche Rigidität wie ein niederenergetisches Proton haben, was dazu führt, dass sie mit Hilfe eines Magnetfeldes nicht getrennt werden können. Zusätzlich haben Positronen nur einen sehr kleinen Anteil am Spektrum der kosmischen Strahlen. Es gibt ungefähr ein Positron für alle 10.000 Protonen. Dasselbe Argument gilt auch für negative Teilchen, z.B. das Elektron und das Anitproton (Verhältnis 100:1). Daher braucht man eine effiziente Art um diese Teilchen von einander zu trennen.

Das elektromagnetische Kalorimeter (ECAL) von AMS-02 ist ein Spezialdetektor mit eben diesem Zweck. Es kann mit einer Unterdrückung von 1:100.000 zwischen Positronen und Protonen unterscheiden. Die Unterscheidungfähigkeit zwischen Positronen und Protonen wird durch einen weiteren Subdetektor (den TRD) nochmal verstärkt.

Das ECAL kann zusätzlich auch für die Messung hochenergetischer Photonen eingesetzt werden, mit eine hohen Energie- und Richtungsauflösung.

Hintergrund

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Wenn ein hochenergetische Positronen, Elektronen oder Photonen durch Materie mit eine hohen Ladungszahl (z.B. Blei) fliegen, werden viele weitere Elektronen, Positronen und Photonen als Sekundärteilchen produziert, allerdings mit einer niedrigeren Energie. Die Produktion Sekundärteilchen nennt man einen elektromagnetischen Schauer. Solche Schauer sind das Ergebnis von zwei physikalischen Vorgängen: die Produktion von Photonen durch Positronen und Elektronen, auch Bremsstrahlung genannt, und die Umwandlung von Photonen in Elektron-Positron-Paaren, auch Paarbildung genannt. Ein elektromagnetischer Schauer endet dann, wenn die Sekundärteilchen entweder absorbiert werden oder das Material verlassen.

Im Gegensatz dazu interagiert ein einfallendes Proton anders, nämlich durch Produktion eines hardronischen Schauers, welche eine andere Form haben. Ein solcher Schauer besteht aus einer Vielzahl an Sekundärteilchen (Pionen, Kaonen, etc.), die einen breiteren Schauer bilden.

Das ECAL von AMS-02 ermöglicht die Aufnahme eines 3D-Schauerprofiles in 18 verschiedenen Tiefen. Mit Hilfe dieses Profils können Positronen und Protonen. Zusätzlich produzieren Elektronen und Positronen, welche eine Energie von unter 1 TeV haben, einen Schauer, welcher komplett innerhalb des ECALs abläuft. Dadurch kann die Energie des Teilches rekonstruiert werden, da diese dann proportional zur Summe der ECAL Signaleinträge ist.

Desweiteren, kann die Form des Schauers auch benutzt werden, um die Herkunftsrichtung eines einfallenden Teilchens mit einer Winkelauflösung von ein paar Grad aufzulösen. Dies ist besonders wichtig für die Vermessung von hochenergetischen Photonen. 

Konstruktion

Der Aufbau des ECALs entspricht einem Sandwich. Es besteht aus 9 Superlagen, welches zu einer aktiven Fläche von 648x648 mm2 und eine Dicke von 166.5 mm führt. Jede Superlage ist 18.5 dick und besteht aus 11 gerillten 1 mm dicken Bleifolien. Diese Folien sind mit 1 mm dicken szintillierenden Fasern verschachtelt und mit einem Epoxy verklebt. Die zweidimensionale Aufnahmemöglichkeit wird erreicht, in dem die Superlagen abwechselnd parallel zur x-Achse (4 Lagen) und zur y-Achse (5 Lagen) gestapelt werden. Der Stapel hat eine durchschnittliche Dichte von 6.9 g/cm3, was zu einem Gesamtgewicht von 496 kg führt.