Antimaterie aus dem All

„Die Internationale Raumstation ist ein Tor zum Universum und die größte Leistung der Menschheit im erdnahen Orbit.” NASA-Chef Charles Bolden sparte auf einer Pressekonferenz im April anlässlich neuer Antimaterie-Messungen nicht an Pathos und Superlativen. Aus gutem Grund, denn die NASA hatte bekanntlich schon bessere Tage, und die Kosten der ISS sind durchaus astronomisch zu nennen.

Nun hat die ISS dazu beigetragen, einen neuen Zugang zum Weltraum zu erschließen. Denn seit Astronauten dort im Mai 2011 einen riesigen Detektor namens Alpha Magnetic Spectrometer (AMS) angebracht haben, spähen Astrophysiker auf eine neue und in dieser Präzision konkurrenzlose Weise in die geheimnisvollen Tiefen der Milchstraße. AMS identifiziert und charakterisiert die Teilchen der Kosmischen Strahlung, die in seine Fänge geraten, mit großer Zuverlässigkeit und Genauigkeit. Und das erlaubt geradezu himmlische Einsichten.

Über die erste berichtete der Physik-Nobelpreisträger Samuel Ting am 3. April 2013, bevor sie wenige Tage später in dem renommierten Fachjournal Physical Review Letters publiziert wurde: die Zahl und Energieverteilung der Positronen in Erdnähe. Diese Partikel sind die häufigste Form von Antimaterie im All (siehe Kasten „Gut zu wissen: Antimaterie”, S. 40). Auf diese Daten hatten viele Forscher seit Langem mit Spannung gewartet, denn sie vermitteln grundlegende Einsichten in die Bestandteile des Universums – einschließlich der Natur der ominösen Dunklen Materie, deren Gesamtmasse das Sechsfache aller Atome betragen soll.

Samuel Ting, inzwischen 77 Jahre alt, forscht noch immer unermüdlich am Massachusetts Institute of Technology. Seit 18 Jahren setzt er sich mit großem Engagement für AMS ein. Ohne ihn wäre es sicherlich nicht gelungen, den 4,5 Meter großen, sieben Tonnen schweren und über 1,5 Milliarden Dollar teuren zylindrischen Detektor zu realisieren (bild der wissenschaft 8/2012, „Großfahndung nach Antisternen”). Ting leitet den weltweiten Forschungsverbund von 600 Wissenschaftlern und Ingenieuren aus 16 Ländern – darunter auch ein Team um Stefan Schael von der RWTH Aachen. Und so ließ es sich der hartnäckige Teilchenphysiker auch nicht nehmen, die erste große Publikation von AMS-Messungen persönlich vorzustellen.

das ERSEHNTE SPEKTRUM

Dazu hatte das Forschungszentrum CERN bei Genf eigens ein Seminar veranstaltet und es im World Wide Web auch live übertragen. Am CERN wurde AMS vor dem Start getestet, und dort befindet sich auch die Steuerzentrale.

Zunächst beschrieb Ting im vollbesetzten großen CERN-Auditorium ausführlich die hochpräzisen Messmethoden von AMS, erst dann zeigte und erläuterte er das mit Spannung erwartete Positronen-Spektrum.

AMS registriert jährlich etwa 16 Milliarden Teilchen der Kosmischen Strahlung. Das Positronen-Spektrum basiert auf der Analyse von 25 Milliarden Ereignissen, die vom 19. Mai 2011 bis zum 10. Dezember 2012 gemessen wurden. 6,8 Millionen davon waren Elektronen und Positronen. Von den Antimaterie-Partikeln wurden rund 400 000 nachgewiesen – so viel wie niemals zuvor im All. Die Zahl ist ungefähr das Hundertfache aller bislang weltweit durch Ballons und Satelliten erhaschten kosmischen Positronen insgesamt. Und das geschah vor dem „Hintergrund” der mindestens 1000-fachen Menge an Protonen, die dieselbe positive Ladung haben, wenn auch eine fast 2000 Mal so große Masse.

AKRIBISCHE ANALYSEN

Dank der hochpräzisen Energie- und Impulsauflösung von AMS konnten die Forscher mit ihren akribischen Analysen – in mehreren Einzelgruppen unabhängig voneinander – die genaue Verteilung der Positronen im Energiebereich von 0,5 bis 350 Gigaelektronenvolt messen, also ihre Zahl relativ zu der von Elektronen gleicher Energie (siehe Grafik rechts, „Energieverteilung kosmischer Positronen”).

Bis zu einer Energie von knapp zehn Gigaelektronenvolt nimmt die Menge der Positronen immer weiter ab. Das steht im Einklang mit den gut etablierten Erklärungsmodellen der Kosmischen Strahlung. Doch dann wächst die Zahl der Positronen überraschenderweise wieder – zunächst stärker, dann schwächer. Dies ist bis etwa 250 Gigaelektronenvolt der Fall. Bei noch höheren Energien wird die Kurve des Positronen-Spektrums flacher. Weil hochenergetische Positronen sehr selten sind, wird die statistische Zuverlässigkeit der Messungen hier auch immer schlechter.

Die Verhältnisse jenseits von 350 Gigaelektronenvolt sind noch unklar – obschon besonders wichtig, weil davon die Erklärung des Positronen-Spektrums abhängt. Mehr Daten sind also nötig – und AMS wird diese auch beschaffen, wenn die ISS durchhält, denn bislang hat der Detektor erst zehn Prozent der geplanten Messungen gemacht.

Um eine erste Einschätzung gebeten, reagierte Ting nach dem CERN-Seminar reserviert: „Wir ahnen zwar, was bei den höchsten Energien geschieht, aber es ist zu früh, um darüber zu diskutieren. Wir müssen auf eine bessere Statistik warten. Beachten Sie, dass wir keines unserer Resultate mit ‚vorläufig‘ bezeichnet haben.”

Ting gilt als äußerst vorsichtig und akribisch. Deswegen musste er sogar 1976 seinen Physik-Nobelpreis teilen: Nach der Entdeckung des J/Psi-Teilchens zögerte er mit der Publikation, um alle Fehlermöglichkeiten auszuschließen und jede Eventualität zu berücksichtigen, so dass eine zweite Forschergruppe das Teilchen in der Zwischenzeit ebenfalls nachweisen konnte. Da AMS konkurrenzlos ist, besteht jetzt allerdings keine Eile. „Ich habe noch nie einen Fehler gemacht”, stellte Ting im CERN-Auditorium klar. „Wir veröffentlichen erst, wenn wir absolut sicher sind.”

DIE SUCHE NACH DEM URSPRUNG

Die Messung der Positronen ist das eine – das andere ist die Erklärung ihrer Herkunft. Und die bereitet den Astrophysikern viel Kopfzerbrechen (siehe Grafik „Galaktische Quellen”, S.42).

Fest steht, dass manche Antiteilchen bei Explosionen auf der Sonne erzeugt werden. Andere sind das Nebenprodukt von Kernreaktionen im Interstellaren Medium: Wenn beispielsweise ein stark beschleunigtes Proton aus einem Supernova-Überrest auf ein anderes Proton trifft, können Pionen entstehen. Diese kurzlebigen Partikel zerfallen in Myonen, die gleich darauf in Elektron-Positron-Paare weiter zerfallen. Die galaktischen Erzeugungsraten lassen sich recht gut abschätzen. Sie liegen bei Energien über zehn Gigaelektronenvolt klar unter der von AMS gemessenen Positronen-Zahl. Die große Frage lautet also: Was ist die Ursache dieses Positronen-Überschusses?

Darüber spekulieren Ting und sein Team in ihrer Positronen-Publikation nicht. Sie betonen aber, dass die Verteilung der Partikel keine Strukturen zeigt – also keine Variationen in Raum, Zeit oder Energie. „All diese Merkmale sind zusammen ein Hinweis auf ein neues physikalisches Phänomen”, schreiben die Forscher. Ihr Fazit: „Ein signifikanter Anteil der hochenergetischen Elektronen und Positronen stammt aus einer gemeinsamen Quelle.”

Doch welche Quelle könnte das sein? Hier konkurrieren vor allem zwei Erklärungsansätze, die sich aber nicht unbedingt ausschließen: zum einen galaktische Quellen wie Supernova-Überreste, Pulsarwinde und Pulsare, zum anderen der Zerfall oder die Paarvernichtung – also Zerstrahlung oder Annihilation – bislang unbekannter Elementarteilchen.

Pulsare pulsieren nicht

Pulsare sind der beliebteste Kandidat, weil sie nachweislich die Milchstraße bevölkern – zu Hunderten allein im Umkreis von einigen Tausend Lichtjahren – und zur Kosmischen Strahlung beitragen. Pulsare pulsieren nicht, wie ihr Name suggeriert, sondern „blinken” wie Leuchttürme, weil sie die Erde periodisch anstrahlen. Sie sind rasch rotierende Neutronensterne – die kollabierten Kerne ausgebrannter massereicher Riesensonnen, die ihre äußeren Hüllen als Supernova ins All geschleudert haben (bild der wissenschaft 7/2009, „Die agilen Zombie-Sterne”).

Diese Exoten haben nur die Hälfte des Durchmessers von Berlin, aber mehr Masse als unsere gesamte Sonne. Und sie besitzen Magnetfelder, die das Billionenfache der Stärke des Erdmagnetfelds erreichen können. Gelangen kosmische Gammastrahlen in das Feld einer Sternruine, vor allem an ihren Polen, dann entstehen große Mengen an Elektron-Positron-Paaren.

Ein Astrophysiker-Team um Peng-Fei Yin von der Chinesischen Akademie der Wissenschaften in Peking hat nun ausgerechnet, dass sich das Positronen-Spektrum im Prinzip durch einen einzigen benachbarten Pulsar erklären ließe. Es könnten auch viele Pulsare sein, dann würde aber der Einfluss der nahen Sternruinen vorherrschen.

Infrage kommen die nächstgelegenen Neutronensterne Geminga und Monogem – oder ein unbekanntes unsichtbares Objekt, dessen zwei Strahlungskegel nicht in Richtung Erde orientiert sind. Geminga im Sternbild Gemini (Zwillinge) ist etwa 800 Lichtjahre entfernt und 370 000 Jahre alt. Monogem befindet sich in einem Supernova-Überrest an der Grenze der Konstellationen Gemini und Monoceros (Einhorn) mit einer Distanz von 900 Lichtjahren und einem Alter von etwa 110 000 Jahren.

Wenn die Pulsar-Hypothese stimmt, so Peng-Fei Yin und seine Kollegen, dann sollten genauere Messungen des Positronen-Spektrums Indizien für eine Feinstruktur und eventuell auch Anisotropie zeigen. Denn die Positronen- Erzeugung bei Pulsaren muss variieren. Und die Antiteilchen würden dann nicht völlig gleichmäßig aus allen Richtungen kommen. Die bisherigen AMS-Daten zeigen eine Isotropie der Herkunftsrichtung aller gemessenen Positronen und Elektronen nur auf knapp vier Prozent genau – die weiteren Messungen könnten also durchaus Abweichungen erbringen.

Spektakulärer wäre es freilich, wenn der Positronen-Überschuss aus dem Zerfall oder der Zerstrahlung der ominösen Dunklen Materie stammen würde. Diese „Schattenmaterie” macht sich durch ihre Schwerkraft bemerkbar, leuchtet aber nicht, weil sie nicht der elektromagnetischen Wechselwirkung unterliegt (bild der wissenschaft 12/2011, „Das Weltreich der Finsternis”).

Schwächlinge IM ALL

Einer beliebten – aber keineswegs gesicherten – Hypothese zufolge besteht die Dunkle Materie aus unbekannten Elementarteilchen, WIMPs genannt. Dieser Name ist ein Akronym, abgeleitet von „Weakly Interacting Massive Particles”, und bedeutet im Englischen auch „Schwächling, Winzling”. Teilchenphysiker haben zahlreiche Kandidaten für solche WIMPs vorgeschlagen, zum Beispiel im Rahmen der Supersymmetrie-Modelle. Und sie suchen sowohl mit direkten Nachweismethoden nach den Partikeln als auch indirekt am CERN mit dem Large Hadron Collider, der sie durch Protonen-Kollisionen erzeugen könnte.

Das alles ist bislang Spekulation. Doch schon 1990 haben die Physiker Michael Turner und Frank Wilczek – ein späterer Nobelpreisträger – vorgeschlagen, dass WIMPs in der Milchstraße sich wechselseitig vernichten können – vorausgesetzt, sie sind ihre eigenen Antiteilchen und häufig genug, um sich überhaupt in signifikanter Zahl zu treffen. Dann müssten bei der WIMP-Annihilation auch beträchtliche Mengen an Gammastrahlen und Positronen entstehen.

Mehrere Studien haben inzwischen gezeigt, dass die AMS-Daten durchaus mit der Zerstrahlung Dunkler Materie vereinbar sind – und ebenfalls mit früheren ungenaueren Messungen, insbesondere des Satelliten PAMELA (Payload for Antimatter Matter Exploration and Light-nuclei Astrophysics) und dem Weltraumteleskop Fermi. Diese Widerspruchsfreiheit haben kürzlich mehrere Forschergruppen mit aufwendigen Simulationsrechnungen nachgewiesen – zum Beispiel ein Team um Qiang Yuan von der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, Peking, und eines um Masahiro Ibe von der Universität Tokio. Allerdings gibt es Probleme, weil bei Annihilationen typischerweise Antiprotonen entstehen, die aber bislang nicht nachgewiesen wurden. Nach ihnen hält AMS gegenwärtig Ausschau.

Viele WIMP-Modelle prognostizieren einen relativ scharfen Abbruch des Positronen-Spektrums bei hohen Energien, abhängig von der WIMP-Masse. Wenn AMS diesen Effekt jenseits von 350 Gigaelektronenvolt fände, also kaum noch Partikel aufspüren würde, wäre das ein gutes Argument für die Dunkle Materie als Quelle der Positronen.

Im Himmel und auf Erden

Doch es gibt auch Skeptiker. So hat Miguel Pato von der Universität Zürich mit zwei Kollegen schon 2010 eine Studie publiziert, die zeigt, dass die Positronen-Daten nicht zwischen Pulsaren und WIMPs unterscheiden können – falls bestimmte physikalische Annahmen über diese zutreffen, die sich mit AMS allein nicht überprüfen lassen. In diesem Fall könnten nur andere Methoden weiterhelfen, etwa die Suche nach charakteristischen Gammastrahlen-Signaturen, wie sie ab 2015 der chinesische Satellit DAMPE (DArk Matter Particle Explorer) erhaschen soll, und Hochenergie-Experimente der Teilchenphysiker, die bereits im Großeinsatz sind.

Da schließt sich der Kreis zwischen AMS und CERN: „AMS ist ein großartiges Beispiel für die Komplementarität der Experimente auf der Erde und im Weltall”, kommentierte CERN-Generaldirektor Rolf-Dieter Heuer im Anschluss an Samuel Tings Vortrag am 3. April. Und er hoffe, dass der Large Hadron Collider bei seinem Neustart 2015 hier Schützenhilfe leistet. „Wir sind zuversichtlich, mit diesem Tandem der Methoden in den nächsten Jahren eine Lösung des Rätsels der Dunklen Materie zu finden.” H

RÜDIGER VAAS, bdw- Redakteur für Astronomie und Physik, berichtete über Antimaterie zuletzt in bdw 6/2012 und 8/2012.

von Rüdiger Vaas