Antimaterie bildet eine Art Spiegelbild der normalen Materie: Teilchen und ihre Antiteilchen gleichen sich zwar wie Bild und Spiegelbild, tragen aber entgegengesetzte Ladungen und Spins. Beim Urknall müssten eigentlich gleiche Anteile dieser Materieformen entstanden sein, merkwürdigerweise dominiert im Kosmos heute aber die normale Materie über die Antimaterie – warum ist bisher nicht geklärt. Klar ist jedoch, dass Antimaterie trotzdem bei vielen physikalischen Prozessen gebildet wird, wie beispielsweise beim radioaktiven Zerfall, bei der Kollision energiereicher Teilchen der kosmischen Strahlung oder auch bei manchen Blitzen in der Erdatmosphäre. Diese Antiteilchen überdauern aber nur so lange, wie sie nicht mit normalen Teilchen in Kontakt kommen. Geschieht dies, löschen sich beide Teilchen in der Annihilation unter Energiefreisetzung gegenseitig aus. Dieses Verhalten ist aus Experimenten mit Antimaterie relativ gut erforscht.
Dunkle Materie als Antimaterie-Produzent
Unklar war aber bisher, wie lange Antiteilchen unter kosmischen Bedingungen der Annihilation entgehen können – beispielsweise wenn sie mehrere 10.000 Lichtjahre entfernt von uns entstehen und dann durch die Milchstraße Richtung Erde fliegen. Dies ist jedoch wichtig, um Prozesse in der kosmischen Strahlung zu verstehen, und auch, um die Natur der Dunklen Materie zu klären. Denn sie prägt zwar das Aussehen und Verhalten ganzer Galaxien, ist aber unsichtbar und wechselwirkt nur über die Gravitation mit normaler Materie. Unter anderem ist deshalb bisher noch unbekannt, welche Teilchen der Dunklen Materie zugrunde liegen. An diesem Punkt kommen die Antiteilchen ins Spiel, denn auch bei der Auslöschung bestimmter Dunkle-Materie-Teilchen könnte Antimaterie erzeugt werden. “Die Beobachtung von Antikernen wie Antihelium-3 ist eine der vielversprechendsten Signaturen der Annihilation von Weakly Interacting Massive Particles (WIMP) der Dunklen Materie”, erklären Physiker der ALICE-Kollaboration am Forschungszentrum CERN bei Genf. Die WIMPs gelten als ein möglicher Kandidat für die lange gesuchten Teilchen der Dunklen Materie.
Um herauszufinden, ob Anti-Heliumkerne aus solchen hypothetischen Annihilationen überhaupt bei uns ankommen würden, haben die Forschenden Daten des ALICE-Detektors am Teilchenbeschleuniger LHC des CERN ausgewertet. Wenn im Beschleuniger Protonen und schwere Bleikerne mit hoher Energie aufeinandertreffen, entstehen neben vielen Teilchen der normalen Materie auch Antiheliumkerne. Aus den vom Detektor aufgezeichneten Teilchenspuren lässt sich quantifizieren, mit welcher Wahrscheinlichkeit ein Antihelium-3-Kern mit dem Detektormaterial wechselwirkt und ausgelöscht wird. Diese Kollisionswahrscheinlichkeit bezeichnen Physiker als inelastischen Querschnitt oder auch als Transparenz eines Mediums für diese Antiteilchen. Für ihre Studie verglichen die Physiker die aus früheren Tests bekannte Zahl der bei den Kollisionen entstehenden Antiheliumkerne verschiedener Energien mit der Zahl der noch in unterschiedlichen Entfernungen vom Kollisionspunkt detektierten Teilchen. Dies erlaubte eine Abschätzung des inelastischen Querschnitts der Antiheliumkerne bei verschiedenen Energien.
