Espectrómetro magnético alfa

El espectrómetro magnético alfa ( AMS-02 ) es un módulo de experimento de física de partículas que está montado en la Estación Espacial Internacional (EEI). ^{[ 4 ]} El experimento es un experimento reconocido del 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 transbordador espacial Endeavour, vuelo STS-134, que transportaba 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 los resultados iniciales, indicando que AMS había observado más de 400 000 positrones , con una fracción de positrones respecto a electrones que aumentaba 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 se observó "variación significativa a lo largo del tiempo, ni ninguna dirección de entrada preferida. Estos resultados son consistentes con el origen de los positrones a partir de la aniquilación de partículas de materia oscura en el espacio, pero aún no son suficientemente concluyentes como para descartar otras explicaciones". Los resultados se han publicado en Physical Review Letters . ^{[ 11 ]} Se siguen 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 ]} liderado por el físico de partículas del MIT Samuel Ting, poco 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 ]}

AMS-01

El AMS-01 voló al espacio en junio de 1998 a bordo del transbordador espacial Discovery en la misión STS-91 . Es visible cerca de la parte trasera de la bahía de carga.

Vista detallada del módulo AMS-01 (en el centro) montado en la bahía de carga útil del transbordador para la misión STS-91 .

Un prototipo del AMS, denominado AMS-01 , una versión simplificada del detector, fue construido por el consorcio internacional bajo la dirección de Ting y enviado al espacio a bordo del transbordador espacial Discovery en la misión STS-91 en junio de 1998. Al no detectar antihelio , el AMS-01 estableció un límite superior de 1,1 × 10⁻⁶ ^para la relación de flujo de antihelio a helio ^{[ 21 ]} y demostró que el concepto del detector funcionaba en el espacio. Esta misión del transbordador fue el último vuelo del transbordador a la estación espacial Mir .

AMS-02

Tras el vuelo del prototipo, el grupo, ahora denominado Colaboración AMS , comenzó el desarrollo de un sistema de investigación completo, denominado AMS-02 . Este esfuerzo de desarrollo involucró 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, resultado de un largo proceso evolutivo, ha sido descrito como "el detector de partículas más sofisticado jamás enviado al espacio", rivalizando con 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 perfeccionado con el tiempo. En su diseño original, es un detector más completo con mayores probabilidades de descubrir evidencia de materia oscura, además de otros objetivos. ^{[ 22 ]}

Se consideró que los requisitos de energía para el AMS-02 eran demasiado elevados para una nave espacial independiente práctica, por lo que el AMS-02 se diseñó para ser instalado como un módulo externo en la Estación Espacial Internacional y utilizar la energía de la ISS. El plan posterior al transbordador espacial Columbia era entregar el AMS-02 a la ISS mediante un 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 provocaron más retrasos. ^{[ 23 ]}

AMS-02 completó la integración final y las pruebas operativas 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 ]} Posteriormente, AMS-02 fue transportado por un transportista especializado ^{[ 26 ]} a las instalaciones del Centro Europeo de Investigación y Tecnología Espacial (ESTEC) de la ESA en los Países Bajos , llegando el 16 de febrero de 2010. Allí se sometió a pruebas de vacío térmico, compatibilidad electromagnética e interferencia electromagnética . La entrega de AMS-02 al Centro Espacial Kennedy en Florida , Estados Unidos, estaba programada para finales de mayo de 2010. ^{[ 7 ]} Sin embargo, esto se pospuso hasta el 26 de agosto de 2010 ^{[ 27 ]} ya que AMS-02 se sometió a pruebas finales de alineación del haz en el CERN. ^{[ 28 ] [ 29 ]}

El AMS-02 durante las pruebas de alineación final en el CERN, pocos días antes de ser trasladado por vía aérea a Cabo Cañaveral , Florida.

En el momento de la fotografía, el haz de partículas del SPS alimentaba el AMS con positrones de 20 GeV para realizar pruebas de alineación.

Inicialmente, 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 del AMS decidió reemplazar el imán superconductor del AMS-02 por el imán no superconductor que había volado previamente en el AMS-01. Aunque el imán no superconductor tiene una intensidad de campo menor , se espera que su tiempo de operación en órbita en la ISS sea de 10 a 18 años, en comparación con solo tres años para la versión superconductora. ^{[ 30 ]} En diciembre de 2018, se anunció que la financiación para la ISS se había extendido hasta 2030. ^{[ 31 ]}

En 1999, tras el exitoso vuelo del AMS-01, el coste total del programa AMS se estimó en 33 millones de dólares, con el AMS-02 previsto para su vuelo a la ISS en 2003. ^{[ 32 ]} Tras el desastre del transbordador espacial Columbia en 2003, y después de una serie de dificultades técnicas con la construcción del AMS-02, el coste del programa se disparó hasta alcanzar una cifra estimada de 2.000 millones de dólares. ^{[ 33 ] [ 34 ]}

Instalación en la Estación Espacial Internacional

Imagen generada por ordenador que muestra el AMS-02 montado en el punto de fijación de carga útil superior interno S3 de la ISS .

Ubicación del AMS en la Estación Espacial Internacional (arriba a la izquierda).

Durante varios años, no se sabía con certeza si el AMS-02 llegaría a ser lanzado, ya que no estaba programado para volar en ninguno de los vuelos restantes del Transbordador Espacial . ^{[ 35 ]} Tras el desastre del Columbia en 2003 , la NASA decidió reducir los vuelos del transbordador y retirar los restantes para 2010. Varios vuelos fueron eliminados del manifiesto restante, incluido el vuelo del AMS-02. ^{[ 20 ]} En 2006, la NASA estudió métodos alternativos para entregar el AMS-02 a la estación espacial, pero todos resultaron ser demasiado costosos. ^{[ 35 ]}

En mayo de 2008, el representante Mark Udall y otros doce senadores patrocinaron un proyecto de ley [36] para lanzar la misión AMS-02 a la ISS en un vuelo adicional del transbordador en 2010 o 2011. [ ^{37 ] El} proyecto ^{de ley fue} aprobado por la Cámara de Representantes de los Estados Unidos en pleno el 11 de junio de 2008. ^{[ 38 ]} Luego, el proyecto de ley pasó al Comité de Comercio, Ciencia y Transporte del Senado, donde también fue aprobado. Posteriormente, fue enmendado y aprobado por el pleno del Senado el 25 de septiembre de 2008, y nuevamente aprobado por la Cámara de Representantes el 27 de septiembre de 2008. ^{[ 39 ]} Fue promulgado como ley por el presidente George W. Bush el 15 de octubre de 2008. ^{[ 40 ] [ 41 ]} 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 restituyó la misión AMS-02 al manifiesto del transbordador. El 26 de agosto de 2010, el AMS-02 fue entregado desde el CERN al Centro Espacial Kennedy por un avión Lockheed C-5 Galaxy . ^{[ 27 ]}

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 STS-134 del transbordador , comandado por Mark Kelly . ^{[ 42 ]} Fue retirado de la bodega de carga del transbordador utilizando el brazo robótico del transbordador y entregado al brazo robótico de la estación para su instalación. El AMS-02 está montado sobre la Estructura de Aparejo Integrada , en el USS-02, el lado cenital del elemento S3 del aparejo. ^{[ 43 ]}

Operación, estado y reparaciones

Para abril de 2017, solo una de las 4 bombas de refrigerante redundantes para los rastreadores de silicio funcionaba completamente, y se estaban planificando reparaciones, a pesar de que AMS-02 no fue diseñado para recibir mantenimiento en el espacio. ^{[ 44 ] [ 45 ]} Para 2019, la última bomba funcionaba de forma intermitente. ^{[ 45 ]} En noviembre de 2019, después de cuatro años de planificación, ^{[ 45 ]} se enviaron herramientas y equipos especiales a la ISS para reparaciones in situ que requirieron cuatro EVA . ^{[ 46 ]} También se reabasteció el refrigerante de dióxido de carbono líquido. ^{[ 45 ]}

Las reparaciones fueron realizadas por la tripulación de la Expedición 61 de la ISS . Los astronautas que realizaron las caminatas espaciales fueron el comandante de la expedición y astronauta de la ESA , Luca Parmitano , y el astronauta de la NASA, Andrew Morgan . Ambos contaron con la asistencia de 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 ". ^{[ 47 ]}

Toda la campaña de caminatas espaciales fue un elemento central de la docuserie de Disney+ Among The Stars .

Paseos espaciales

1º

La primera caminata espacial se realizó el 15 de noviembre de 2019. La caminata espacial comenzó con la remoción del escudo de escombros que cubría el AMS, el cual fue desechado para ser destruido por la reentrada atmosférica . La siguiente tarea fue instalar tres pasamanos cerca del AMS para preparar las siguientes caminatas espaciales y retirar las bridas de plástico del puntal de soporte vertical del AMS. A esto le siguieron las tareas de "adelanto": Parmitano retiró los tornillos de una cubierta de fibra de carbono debajo del aislamiento y le pasó la cubierta a Morgan para que la desechara. Los astronautas también retiraron la cubierta de la viga de soporte vertical. La duración de la caminata espacial fue de 6 horas y 39 minutos. ^{[ 48 ] [ 49 ]}

2º

La segunda caminata espacial se realizó el 22 de noviembre de 2019. Parmitano y Morgan cortaron un total de ocho tubos de acero inoxidable, incluyendo uno que liberaba el dióxido de carbono restante de la antigua bomba de refrigeración. 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 refrigeración. La caminata espacial tuvo una duración de 6 horas y 33 minutos. ^{[ 50 ]}

3.º

La tercera caminata espacial se realizó el 2 de diciembre de 2019. La tripulación completó la tarea principal de instalar el sistema de refrigeración mejorado, denominado sistema de bomba térmica de seguimiento mejorado (UTTPS), realizó las conexiones de los cables de alimentación y datos del sistema y conectó las ocho líneas de refrigeración del AMS al nuevo sistema. El complejo trabajo de conexión requirió realizar un corte limpio en cada tubo de acero inoxidable existente conectado al AMS y, posteriormente, conectarlo al nuevo sistema mediante prensado . ^{[ 51 ]}

Los astronautas también completaron una tarea adicional para instalar una manta aislante en el lado nadir del AMS, reemplazando el escudo térmico y la manta que retiraron durante la primera caminata espacial para comenzar los trabajos de reparación. El equipo de control de vuelo en la Tierra activó el sistema de energía y confirmó la recepción de energía y datos. ^{[ 51 ]}

La duración de la caminata espacial fue de 6 horas y 2 minutos. ^{[ 51 ]}

4to

La cuarta caminata espacial se realizó el 25 de enero de 2020. Los astronautas realizaron comprobaciones de fugas en el sistema de refrigeración del AMS y abrieron una válvula para presurizarlo. Parmitano encontró una fuga en una de las líneas de refrigeración del AMS. La fuga se reparó durante la caminata espacial. Las pruebas preliminares mostraron que el AMS respondía según lo previsto. ^{[ 52 ] [ 53 ]}

Los equipos en 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 de que terminara la semana posterior a la caminata espacial. ^{[ 52 ]}

Los astronautas también completaron una tarea adicional para eliminar los filtros de lentes deteriorados de dos cámaras de video de alta definición. ^{[ 52 ]}

La duración de la caminata espacial fue de 6 horas y 16 minutos. ^{[ 52 ]}

• Masa: 7.500 kilogramos (16.500 libras) 
• Material estructural: Acero inoxidable
• Potencia: 2500  W
• Velocidad de datos interna: 7  Gbit/s
• Velocidad de datos a tierra: 2  Mbit/s (típica, promedio) ^{[ 54 ]}
• Duración de la misión principal: de 10 a 18 años.
• Vida útil del diseño: 3 años. ^{[ 45 ]}
• Intensidad del campo magnético: 0,15 teslas producida por un imán permanente de neodimio de 1200 kg (2600 lb) ^{[ 54 ]}  
• Imán superconductor original: 2 bobinas de niobio-titanio a 1,8  K que producen un campo central de 0,87 tesla ^{[ 55 ]} (no se utiliza en el dispositivo real)
• El imán de vuelo AMS-02 se cambió a la versión no superconductora AMS-01 para prolongar la vida útil del experimento y resolver problemas de fiabilidad en el funcionamiento del sistema superconductor.

El instrumento registra aproximadamente 1000 rayos cósmicos por segundo, generando 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.

En el centro de operaciones del CERN se encuentra una maqueta de la máquina.

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 lo atraviesan. Las características se determinan únicamente para las partículas que pasan de arriba hacia abajo. Las partículas que entran al detector en cualquier otro ángulo son rechazadas. De arriba hacia abajo, los subsistemas se identifican como: ^{[ 56 ]}

• El detector de radiación de transición mide las velocidades de las partículas de mayor energía;
• El contador superior de tiempo de vuelo, junto con el contador inferior de tiempo de vuelo, mide las velocidades de las partículas de menor energía;
• El sensor estelar determina la orientación del módulo en el espacio;
• El detector de silicio (9 discos distribuidos en 6 ubicaciones) mide las coordenadas de las partículas cargadas en el campo magnético;
  • Tiene 4 bombas de refrigerante redundantes.
• Un imán permanente desvía la trayectoria de las partículas cargadas para que puedan ser identificadas;
• El contador anticoincidencia rechaza las partículas errantes que entran por los laterales;
• El detector Cherenkov de imágenes anulares mide la velocidad de las partículas rápidas con extrema precisión;
• El calorímetro electromagnético mide la energía total de las partículas.

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 . ^{[ 43 ]}

En febrero de 2013, Samuel Ting informó que en sus primeros 18 meses de funcionamiento, el AMS había registrado 25 mil millones de eventos de partículas, incluyendo casi ocho mil millones de electrones y positrones rápidos. ^{[ 57 ]} El artículo del AMS informó la relación positrón-electrón en el rango de masa de 0,5 a 350 GeV , proporcionando evidencia sobre el modelo de partícula masiva 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 ] [ 58 ]} Los primeros resultados de física se publicaron en Physical Review Letters el 3 de abril de 2013. ^{[ 11 ]} Se recolectaron un total de 6,8 millones de 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 constantemente 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 seguía aumentando. No había estructura fina en el espectro de la fracción de positrones, y no se observaron anisotropías . El artículo de opinión de física adjunto ^{[ 59 ]} afirmaba que «Los primeros resultados del espectrómetro magnético alfa espacial confirman un exceso inexplicable de positrones de alta energía en los rayos cósmicos que se dirigen a la Tierra». Estos resultados son consistentes con la hipótesis de que los positrones se originan por la aniquilación de partículas de materia oscura en el espacio, pero aún no son lo suficientemente concluyentes como para descartar otras explicaciones. Ting declaró: «En los próximos meses, el AMS podrá determinar con certeza si estos positrones son una señal de materia oscura o si tienen algún otro origen». ^{[ 60 ]}

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 . ^{[ 61 ] [ 62 ] [ 63 ]} Se informó 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 de electrones+positrones, alrededor de una energía de 275 ± 32 GeV. A energías más altas, hasta 500 GeV, la relación de positrones a electrones comienza a disminuir nuevamente.

El equipo de AMS presentó durante 3 días en el CERN en abril de 2015, cubriendo nuevos datos sobre 300 millones de eventos de protones y flujo de helio. ^{[ 64 ]} A finales de 2016, se informó que AMS-02 había observado más de 90 mil millones de rayos cósmicos. ^{[ 10 ]} En diciembre de 2016 reveló que había descubierto algunas señales consistentes con núcleos de antihelio entre varios miles de millones de núcleos de helio. El resultado aún debe verificarse, y el equipo actualmente está tratando de descartar una posible contaminación. ^{[ 65 ]}

Un estudio de 2019, utilizando datos del Telescopio Espacial de Rayos Gamma Fermi de la NASA , descubrió un halo alrededor del púlsar Geminga , cercano a la Tierra . Los electrones y positrones acelerados colisionan con la luz de estrellas cercanas. Esta colisión eleva la luz a energías mucho mayores. Geminga por sí solo podría ser responsable de hasta el 20 % de los positrones de alta energía detectados por el experimento AMS-02. ^{[ 66 ]} El AMS-02 en la ISS ha registrado, hasta 2021, ocho eventos que parecen indicar la detección de antihelio-3. ^{[ 67 ] [ 68 ]}

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 exactitud cercana al 1 %. Resultan particularmente significativos los datos de alta energía relativos a partículas elementales como electrones, positrones, protones y antiprotones, que plantean desafíos a los marcos teóricos. Además, las observaciones de núcleos e isótopos revelan dependencias energéticas que se desvían de las predicciones teóricas. En una presentación en la reunión de la APS de abril de 2024, la colaboración AMS argumentó que el conjunto de datos que han recopilado exige una reevaluación de los modelos cosmológicos existentes. ^{[ 69 ]}

Según se informa en la página web de AMS-02 | The Alpha Magnetic Spectrometer Experiment, a finales de abril de 2026, el AMS-02 ha observado hasta la fecha más de 263 mil millones de eventos de rayos cósmicos.

El 18 de mayo de 2026, exactamente 15 años después de su puesta en funcionamiento, el AMS-02 superó el hito de la detección de 264 mil millones de eventos de rayos cósmicos.

• Lista de telescopios espaciales (Observatorios Astronómicos Espaciales)
• Carga útil para la exploración de antimateria y materia y astrofísica de núcleos ligeros (PAMELA) – una misión italo-internacional de rayos cósmicos lanzada en 2006 con objetivos similares.
• Investigación científica en la ISS

 Este artículo incorpora material de dominio público de la página del proyecto AMS . Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio .

• Sandweiss, J. (2004). "Panorama general de las búsquedas de strangelets y del espectrómetro magnético alfa: ¿cuándo dejaremos de buscar?". Journal of Physics G: Nuclear and Particle Physics . 30 (1): S51– S59. Bibcode : 2004JPhG...30S..51S . doi : 10.1088/0954-3899/30/1/004 .

• Página principal de colaboración de AMS
• Página principal de AMS en CERN . Diagramas de construcción de Inc.
• Página principal de AMS archivada el 30 de julio de 2009 en la Wayback Machine del Centro Espacial Johnson.
• Hoja informativa del proyecto AMS-02 de la NASA
• Página principal del proyecto AMS-02 de la NASA con recuento de rayos cósmicos en tiempo real.
• Película animada de la misión STS-134 que muestra la instalación del AMS-02 (72  MB). Archivada el 11 de mayo de 2011 en Wayback Machine .
• Espectrómetro magnético alfa – colección de imágenes – AMS-02 en Facebook
• Una costosa búsqueda del corazón oscuro del cosmos (New York Times, 16 de noviembre de 2010)
• Alianza Ruta al Espacio – Transporte Europeo para las Industrias Espacial y Aeronáutica. Archivado el 17 de enero de 2022 en Wayback Machine .
• Registro del experimento AMS-02 en INSPIRE-HEP
• Registro del experimento AMS-01 en INSPIRE-HEP