El Espectrómetro Magnético Alfa ( AMS-02 ) es un módulo de experimento de física de partículas que está montado en la Estación Espacial Internacional (ISS). [4] El experimento es un experimento reconocido por el CERN (RE1). [5] [6] El módulo es un detector que mide la antimateria en los rayos cósmicos ; esta información es necesaria para comprender la formación del universo y buscar evidencia de materia oscura .
El investigador principal es el físico de partículas y premio Nobel Samuel Ting . El lanzamiento del vuelo STS-134 del transbordador espacial Endeavour con el AMS-02 tuvo lugar el 16 de mayo de 2011, y el espectrómetro se instaló el 19 de mayo de 2011. [7] [8] Para el 15 de abril de 2015, el AMS-02 había registrado más de 60 mil millones de eventos de rayos cósmicos [9] y 90 mil millones después de cinco años de funcionamiento desde su instalación en mayo de 2011. [10]
En marzo de 2013, el profesor Ting informó de los resultados iniciales, diciendo que AMS había observado más de 400.000 positrones , con la fracción positrón-electrón aumentando de 10 GeV a 250 GeV. (Resultados posteriores han mostrado una disminución en la fracción de positrones a energías superiores a unos 275 GeV). No hubo "ninguna variación significativa a lo largo del tiempo, ni ninguna dirección de entrada preferida. Estos resultados son consistentes con los positrones originados a partir de la aniquilación de partículas de materia oscura en el espacio, pero aún no son lo suficientemente concluyentes como para descartar otras explicaciones". Los resultados se han publicado en Physical Review Letters . [11] Todavía se están recopilando datos adicionales. [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17]
El espectrómetro magnético alfa fue propuesto en 1995 por el Grupo de Estudio de Antimateria , [18] [4] dirigido por el físico de partículas del MIT Samuel Ting, no mucho después de la cancelación del Supercolisionador Superconductor . El nombre original del instrumento era Espectrómetro de Antimateria , [4] [18] [19] con el objetivo declarado de buscar antimateria primordial, con una resolución objetivo de antimateria/materia ≈10 −9 . [18] [19] La propuesta fue aceptada y Ting se convirtió en el investigador principal . [20]
Un prototipo de AMS designado AMS-01 , una versión simplificada del detector, fue construido por el consorcio internacional bajo la dirección de Ting y voló al espacio a bordo del Transbordador Espacial Discovery en STS-91 en junio de 1998. Al no detectar ningún antihelio , el AMS-01 estableció un límite superior de 1,1×10 −6 para la relación de flujo antihelio-helio [21] y demostró que el concepto de detector funcionaba en el espacio. Esta misión del transbordador fue el último vuelo del transbordador a la estación espacial Mir .
Después del vuelo del prototipo, el grupo, ahora denominado AMS Collaboration , comenzó el desarrollo de un sistema de investigación completo denominado AMS-02 . Este esfuerzo de desarrollo implicó el trabajo de 500 científicos de 56 instituciones y 16 países, organizados bajo el patrocinio del Departamento de Energía de los Estados Unidos (DOE).
El instrumento, que finalmente resultó de un largo proceso evolutivo, ha sido denominado "el detector de partículas más sofisticado jamás enviado al espacio", rivalizando con los detectores de gran tamaño utilizados en los principales aceleradores de partículas , y ha costado cuatro veces más que cualquiera de sus homólogos terrestres. Sus objetivos también han evolucionado y se han refinado con el tiempo. Tal como está construido, es un detector más completo que tiene más posibilidades de descubrir evidencia de materia oscura junto con otros objetivos. [22]
Se pensó que los requisitos de energía para AMS-02 eran demasiado grandes para una nave espacial independiente práctica, por lo que AMS-02 fue diseñado para ser instalado como un módulo externo en la Estación Espacial Internacional y utilizar energía de la ISS. El plan posterior al transbordador espacial Columbia era entregar AMS-02 a la ISS por transbordador espacial en 2005 en la misión de ensamblaje de la estación UF4.1 , pero las dificultades técnicas y los problemas de programación del transbordador agregaron más retrasos. [23]
El AMS-02 completó las pruebas finales de integración y funcionamiento en el CERN en Ginebra, Suiza, que incluyeron la exposición a haces de protones energéticos generados por el acelerador de partículas SPS del CERN . [24] [25] Luego, el AMS-02 fue enviado por un transportista especializado a las instalaciones del Centro Europeo de Investigación y Tecnología Espacial (ESTEC) de la ESA en los Países Bajos , a donde llegó el 16 de febrero de 2010. Allí se sometió a pruebas de vacío térmico, compatibilidad electromagnética e interferencia electromagnética . El AMS-02 estaba programado para su entrega al Centro Espacial Kennedy en Florida , Estados Unidos, a fines de mayo de 2010. [7] Sin embargo, esto se pospuso al 26 de agosto, ya que el AMS-02 se sometió a pruebas finales del haz de alineación en el CERN. [26] [27]
En un principio, se instaló un sistema de imán superconductor criogénico en el AMS-02. Cuando la administración Obama extendió las operaciones de la Estación Espacial Internacional más allá de 2015, la dirección de la AMS decidió cambiar el imán superconductor del AMS-02 por el imán no superconductor que había volado anteriormente en el AMS-01. Aunque el imán no superconductor tiene una intensidad de campo más débil , se espera que su tiempo operativo en órbita en la ISS sea de entre 10 y 18 años, frente a los solo tres años de la versión superconductora. [28] En diciembre de 2018, se anunció que la financiación para la ISS se había extendido hasta 2030. [29]
En 1999, después del exitoso vuelo del AMS-01, el costo total del programa AMS se estimó en 33 millones de dólares, y se planeó que el AMS-02 volara a la ISS en 2003. [30] Después del desastre del transbordador espacial Columbia en 2003, y después de una serie de dificultades técnicas con la construcción del AMS-02, el costo del programa se disparó a un estimado de 2 mil millones de dólares. [31] [32]
Durante varios años no se sabía si el AMS-02 sería lanzado alguna vez porque no estaba previsto que volara en ninguno de los vuelos restantes del transbordador espacial . [33] Después del desastre del Columbia en 2003 , la NASA decidió reducir los vuelos del transbordador y retirar los transbordadores restantes para 2010. Se eliminaron varios vuelos del manifiesto restante, incluido el vuelo del AMS-02. [20] En 2006, la NASA estudió formas alternativas de entregar el AMS-02 a la estación espacial, pero todas resultaron ser demasiado caras. [33]
En mayo de 2008, se propuso un proyecto de ley [34] para lanzar el AMS-02 a la ISS en un vuelo adicional del transbordador en 2010 o 2011. [35] El proyecto de ley fue aprobado por la Cámara de Representantes de los Estados Unidos en pleno el 11 de junio de 2008. [36] Luego, el proyecto de ley fue presentado ante el Comité de Comercio, Ciencia y Transporte del Senado, donde también fue aprobado. Luego fue enmendado y aprobado por el Senado en pleno el 25 de septiembre de 2008, y fue aprobado nuevamente por la Cámara el 27 de septiembre de 2008. [37] Fue firmado como ley por el presidente George W. Bush el 15 de octubre de 2008. [38] [39] El proyecto de ley autorizó a la NASA a agregar otro vuelo del transbordador espacial al cronograma antes de que se suspendiera el programa del transbordador espacial. En enero de 2009, la NASA restableció el AMS-02 en el manifiesto del transbordador. El 26 de agosto de 2010, el AMS-02 fue entregado desde el CERN al Centro Espacial Kennedy por un jet Lockheed C-5 Galaxy . [40]
Fue entregado a la Estación Espacial Internacional el 19 de mayo de 2011, como parte del vuelo de ensamblaje de la estación ULF6 en el vuelo del transbordador STS-134 , comandado por Mark Kelly . [41] Fue retirado de la bahía de carga del transbordador utilizando el brazo robótico del transbordador y entregado al brazo robótico de la estación para su instalación. AMS-02 está montado en la parte superior de la Estructura de Armazón Integrado , en USS-02, el lado cenital del elemento S3 del armazón. [42]
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En abril de 2017, solo una de las 4 bombas de refrigerante redundantes para los rastreadores de silicio estaba funcionando completamente y se estaban planificando reparaciones, a pesar de que AMS-02 no estaba diseñado para recibir servicio en el espacio. [43] [44] En 2019, la última bomba estaba funcionando de manera intermitente. [44] En noviembre de 2019, después de cuatro años de planificación, [44] se enviaron herramientas y equipos especiales a la ISS para reparaciones in situ que requerían cuatro EVA . [45] También se repuso el refrigerante de dióxido de carbono líquido. [44]
Las reparaciones fueron realizadas por la tripulación de la Expedición 61 en la ISS . Los caminantes espaciales fueron el comandante de la expedición y astronauta de la ESA Luca Parmitano , y el astronauta de la NASA Andrew Morgan . Ambos fueron asistidos por las astronautas de la NASA Christina Koch y Jessica Meir , quienes operaron el brazo robótico Canadarm2 desde el interior de la Estación. Las caminatas espaciales fueron descritas como las "más desafiantes desde [las últimas] reparaciones del Hubble ". [46]
Toda la campaña de la caminata espacial fue un tema central de la serie documental de Disney+ Among The Stars .
El primer paseo espacial se llevó a cabo el 15 de noviembre de 2019. Comenzó con la remoción del escudo anti-escombros que cubría el AMS, que fue arrojado para que se quemara en la atmósfera. La siguiente tarea fue instalar tres pasamanos en las cercanías del AMS para prepararlo para los próximos paseos espaciales y quitar las bridas del puntal de soporte vertical del AMS. A esto le siguieron las tareas de "adelanto": Parmitano quitó los tornillos de una cubierta de fibra de carbono debajo del aislamiento y le pasó la cubierta a Morgan para que la tirara. Los caminantes espaciales también quitaron la cubierta de la viga de soporte vertical. La duración del paseo espacial fue de 6 horas y 39 minutos. [47] [48]
La segunda caminata espacial se realizó el 22 de noviembre de 2019. Parmitano y Morgan cortaron un total de ocho tubos de acero inoxidable, incluido uno que ventilaba el dióxido de carbono restante de la vieja bomba de enfriamiento. Los miembros de la tripulación también prepararon un cable de alimentación e instalaron un dispositivo de fijación mecánica antes de instalar el nuevo sistema de enfriamiento. La duración de la caminata espacial fue de 6 horas y 33 minutos. [49]
La tercera caminata espacial se realizó el 2 de diciembre de 2019. La tripulación completó la tarea principal de instalar el sistema de enfriamiento mejorado, llamado sistema de bomba térmica de seguimiento mejorado (UTTPS), completó las conexiones de los cables de alimentación y datos para el sistema y conectó las ocho líneas de enfriamiento del AMS al nuevo sistema. El intrincado trabajo de conexión requirió hacer un corte limpio para cada tubo de acero inoxidable existente conectado al AMS y luego conectarlo al nuevo sistema mediante un prensado . [50]
Los astronautas también completaron una tarea adicional para instalar una manta aislante en el lado del nadir del AMS para reemplazar el escudo térmico y la manta que retiraron durante la primera caminata espacial para comenzar el trabajo de reparación. El equipo de control de vuelo en la Tierra inició el encendido del sistema y confirmó la recepción de energía y datos. [50]
La duración de la caminata espacial fue de 6 horas y 2 minutos. [50]
La cuarta caminata espacial se realizó el 25 de enero de 2020. Los astronautas realizaron controles de fugas en el sistema de enfriamiento del AMS y abrieron una válvula para presurizar el sistema. Parmitano encontró una fuga en una de las líneas de enfriamiento del AMS. La fuga se arregló durante la caminata espacial. Las pruebas preliminares mostraron que el AMS estaba respondiendo como se esperaba. [51] [52]
Los equipos de tierra trabajaron para llenar el nuevo sistema de control térmico del AMS con dióxido de carbono , permitieron que el sistema se estabilizara y encendieron las bombas para verificar y optimizar su rendimiento. El rastreador, uno de los varios detectores del AMS, comenzó a recopilar datos científicos nuevamente antes del final de la semana posterior a la caminata espacial. [51]
Los astronautas también completaron una tarea adicional para eliminar los filtros de lentes degradados en dos cámaras de video de alta definición. [51]
La duración de la caminata espacial fue de 6 horas y 16 minutos. [51]
El instrumento registra unos 1.000 rayos cósmicos por segundo, lo que genera alrededor de un GB/s de datos. Estos datos se filtran y comprimen a unos 300 kbit/s para su descarga al centro de operaciones POCC del CERN.
Una maqueta de la máquina se encuentra en el interior del centro de operaciones del CERN.
El módulo detector consta de una serie de detectores que se utilizan para determinar diversas características de la radiación y las partículas a medida que pasan a través de él. Las características se determinan solo para las partículas que pasan de arriba hacia abajo. Las partículas que ingresan al detector en cualquier otro ángulo se rechazan. De arriba hacia abajo, los subsistemas se identifican como: [55]
El AMS-02 utiliza el entorno único del espacio para avanzar en el conocimiento del Universo y conducir a la comprensión de su origen mediante la búsqueda de antimateria, materia oscura y la medición de rayos cósmicos . [42]
La evidencia experimental indica que nuestra galaxia está hecha de materia ; sin embargo, los científicos creen que hay alrededor de 100-200 mil millones de galaxias en el Universo observable y algunas versiones de la teoría del Big Bang sobre el origen del Universo requieren cantidades iguales de materia y antimateria. Las teorías que explican esta aparente asimetría violan otras mediciones. Si hay o no antimateria significativa es una de las preguntas fundamentales del origen y la naturaleza del Universo. Cualquier observación de un núcleo de antihelio proporcionaría evidencia de la existencia de antimateria en el espacio. En 1999, AMS-01 estableció un nuevo límite superior de 10 −6 para la relación de flujo antihelio/helio en el Universo. AMS-02 fue diseñado para buscar con una sensibilidad de 10 −9 , [19] una mejora de tres órdenes de magnitud sobre AMS-01 , suficiente para alcanzar el borde del Universo en expansión y resolver el problema definitivamente.
La materia visible en el Universo, como las estrellas, suma menos del 5 por ciento de la masa total que se sabe que existe a partir de muchas otras observaciones. El otro 95 por ciento es oscura, ya sea materia oscura, que se estima que representa el 20 por ciento del Universo en peso, o energía oscura , que constituye el resto. La naturaleza exacta de ambos aún se desconoce. Uno de los principales candidatos a materia oscura es el neutralino . Si los neutralinos existen, deberían estar chocando entre sí y emitiendo un exceso de partículas cargadas que pueden ser detectadas por AMS-02. Cualquier pico en el flujo de positrones , antiprotones o rayos gamma de fondo podría indicar la presencia de neutralinos u otros candidatos a materia oscura, pero necesitaría distinguirse de señales astrofísicas confusas poco conocidas .
Se han descubierto experimentalmente seis tipos de quarks ( up , down , strange , charm , bottom y top ); sin embargo, la mayor parte de la materia de la Tierra está formada únicamente por quarks up y down. Es una cuestión fundamental si existe materia estable formada por quarks strange en combinación con quarks up y down. Las partículas de dicha materia se conocen como strangelets . Los strangelets podrían tener una masa extremadamente grande y proporciones de carga a masa muy pequeñas. Sería una forma totalmente nueva de materia. AMS-02 puede determinar si esta materia extraordinaria existe en nuestro entorno local.
La radiación cósmica durante el tránsito es un obstáculo importante para el envío de humanos a Marte . Se necesitan mediciones precisas del entorno de rayos cósmicos para planificar contramedidas adecuadas. La mayoría de los estudios sobre rayos cósmicos se realizan con instrumentos transportados por globos con tiempos de vuelo que se miden en días; estos estudios han mostrado variaciones significativas. AMS-02 opera en la ISS , recopilando una gran cantidad de datos precisos y permitiendo mediciones de la variación a largo plazo del flujo de rayos cósmicos en un amplio rango de energía, para núcleos desde protones hasta hierro . Además de comprender la protección radiológica requerida para los astronautas durante el vuelo interplanetario , estos datos permitirán identificar la propagación interestelar y los orígenes de los rayos cósmicos.
A finales de 2016, se informó que AMS-02 había observado más de 90 mil millones de rayos cósmicos. [10]
En febrero de 2013, Samuel Ting informó que en sus primeros 18 meses de funcionamiento, AMS había registrado 25 mil millones de eventos de partículas, incluidos casi ocho mil millones de electrones rápidos y positrones. [56] El documento de AMS informó la relación positrón-electrón en el rango de masa de 0,5 a 350 GeV , proporcionando evidencia sobre el modelo de partículas masivas de interacción débil (WIMP) de materia oscura.
El 30 de marzo de 2013, la oficina de prensa del CERN anunció los primeros resultados del experimento AMS . [11] [12] [13] [14] [15] [16] [57] Los primeros resultados de física se publicaron en Physical Review Letters el 3 de abril de 2013. [11] Se recogieron un total de 6,8×10 6 eventos de positrones y electrones en el rango de energía de 0,5 a 350 GeV. La fracción de positrones (del total de eventos de electrones más positrones) aumentó de forma constante desde energías de 10 a 250 GeV, pero la pendiente disminuyó en un orden de magnitud por encima de 20 GeV, aunque la fracción de positrones siguió aumentando. No hubo una estructura fina en el espectro de la fracción de positrones y no se observaron anisotropías . El Physics Viewpoint [58], que acompaña al estudio , afirma que "los primeros resultados del Espectrómetro Magnético Alfa, que se encuentra en el espacio, confirman un exceso inexplicable de positrones de alta energía en los rayos cósmicos que llegan a la Tierra". Estos resultados son coherentes con el origen de los positrones a partir de la aniquilación de partículas de materia oscura en el espacio, pero aún no son lo suficientemente concluyentes como para descartar otras explicaciones. Ting afirma que "en los próximos meses, el Espectrómetro Magnético Alfa podrá decirnos de manera concluyente si estos positrones son una señal de materia oscura o si tienen algún otro origen". [59]
El 18 de septiembre de 2014, se presentaron nuevos resultados con casi el doble de datos en una charla en el CERN y se publicaron en Physical Review Letters . [60] [61] [62] Se informó de una nueva medición de la fracción de positrones hasta 500 GeV, que muestra que la fracción de positrones alcanza un máximo de aproximadamente el 16% del total de eventos electrón + positrón, alrededor de una energía de 275 ± 32 GeV. A energías más altas, hasta 500 GeV, la relación de positrones a electrones comienza a caer nuevamente.
El equipo AMS realizó una presentación durante tres días en el CERN en abril de 2015, en la que abordó nuevos datos sobre 300 millones de eventos de protones y flujo de helio. [63] En diciembre de 2016, reveló que había descubierto algunas señales compatibles con núcleos de antihelio entre varios miles de millones de núcleos de helio. El resultado aún debe verificarse y el equipo está tratando actualmente de descartar una posible contaminación. [64]
Un estudio de 2019, que utilizó datos del telescopio espacial de rayos gamma Fermi de la NASA, descubrió un halo alrededor del púlsar cercano Geminga . Los electrones y positrones acelerados chocan con la luz de las estrellas cercanas. La colisión aumenta la energía de la luz a niveles mucho más altos. Geminga por sí sola podría ser responsable de hasta el 20% de los positrones de alta energía observados por el experimento AMS-02. [65] El AMS-02 en la ISS ha registrado, hasta 2021, ocho eventos que parecen indicar la detección de antihelio-3. [66] [67]
Durante un período de doce años a bordo de la ISS, el AMS ha acumulado un conjunto de datos de más de 230 mil millones de rayos cósmicos, que abarcan energías que alcanzan niveles de varios TeV. Las mediciones precisas obtenidas por el espectrómetro magnético permiten la presentación de datos con una precisión cercana al ~1%. Particularmente significativos son los datos de alta energía sobre partículas elementales como electrones, positrones, protones y antiprotones, que presentan desafíos para los marcos teóricos. Además, las observaciones de núcleos e isótopos revelan dependencias energéticas que se desvían de las predicciones teóricas. El amplio conjunto de datos recopilado por el AMS requiere una reevaluación de los modelos existentes del cosmos, como se discutió en la reunión de la APS de abril de 2024. [68]
Este artículo incorpora material de dominio público de la página del proyecto AMS. Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio .
