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DUNKLE MATERIE
Mit PAMELA auf der Jagd nach WIMPs
Redaktion
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20. April 2001

Physiker der Universität Siegen beteiligen sich an dem internationalen Satellitenexperiment PAMELA, das in gut einem Jahr mit Hilfe einer russischen Soyuz-Rakete in eine polare Erdumlaufbahn gebracht werden soll. Dieses Experiment soll den unbekannten Teilchen auf die Spur kommen, aus denen die sogenannte "Dunkle Materie" bestehen könnte und somit einem der großen Rätsel der heutigen Astrophysik.

Aufmerksam auf diese "Dunkle Materie" wurden die Astrophysiker als es gelang, die Bewegung innerhalb von Galaxien-Haufen zu vermessen. Es stellte sich nämlich heraus, dass ihre Bewegung nur erklärt werden konnte, wenn man eine zusätzliche Masse einführte, die nicht in den beobachtbaren Sternen vorhanden ist. Woraus sollte diese unbekannte Materie aber bestehen, die offenbar mehr als 90 Prozent der Gesamtmasse im Universum ausmacht, die sich aber nur durch ihre Gravitationskraft mitteilt, und ansonsten mit keinem Licht oder anderer Materie in Wechselwirkung tritt? 

Anregungen und Hinweise ergeben sich aus der Elementarteilchenphysik, die sich mit der Wechselwirkung von Teilchen und dem Austausch von Kräften beschäftigt. Eine Möglichkeit bestünde beispielsweise darin, dass es sich hier um massereiche Teilchen handelt, die nur sehr schwach mit dem Rest der Welt kommunizieren. Man nennt diese Teilchen WIMPs (für weakly interacting massive particles). Die Physiker haben auch schon Teilchen gefunden, die sich so verhalten, beispielsweise das Neutrino. Leider ist das Neutrino aber masselos oder besitzt nur eine sehr kleine Masse, so dass es für die "Dunkle Materie" nicht verantwortlich sein kann. 

Eine Möglichkeit, diese WIMPs aufzuspüren, besteht in der Wechselwirkung mit ihren Antiteilchen, deren Existenz nach den Theorien der Elementarteilchenphysik möglich ist und die auch bei den bisher bekannten Elementarteilchen vorhanden sind. So ist beispielsweise das Antiproton das Antiteilchen des Protons oder das Positron das Antiteilchen des Elektrons. Wenn diese beiden Teilchen sich nahe kommen, wird ihre Masse in Energie verwandelt. Prozesse dieser Art werden heute in sehr praktischen Anwendungen wie in der medizinischen Diagnostik genutzt.

Wenn WIMPs mit ihren Antiteilchen in Berührung kommen, sollten ähnliche Prozesse zu erwarten sein. Die Folge wäre etwa die Produktion von Antiprotonen wie auch Positronen, die dann vermehrt in der galaktischen Teilchenstrahlung zu finden sein sollten. Das PAMELA-Experiment ist speziell darauf ausgerichtet, nach diesen Antiprotonen und Positronen sehr sorgfältig zu suchen. Mit einem Magnetspektrometer soll die Energie und die Häufigkeit der aus dem Weltraum einfallenden hochenergetischen kosmischen Antiprotonen wie Positronen präzise vermessen werden. Für die Entwicklung und den Bau von geeigneten Messdetektoren erhielten die Physiker in der Arbeitsgruppe um Prof. Dr. Manfred Simon bisher Foerdermittel aus dem Bundesforschungsministerium in Höhe von rund vier Millionen DM. 

Der Beitrag der Siegener Physiker besteht in der Entwicklung und dem Bau von zeitlich hochauflösenden Detektoren, die es ermöglichen, die Flugzeit von Teilchen bei nahezu Lichtgeschwindigkeit mit einer Präzision von besser als einer Milliardstel Sekunde zu messen. Dies erfordert neue Entwicklungen in der Messtechnik unter Verwendung leistungsarmer Elektronik. Erfahrungen und internationale Anerkennung beim Bau moderner astrophysikalischer Experimente haben sich die Wissenschaftler im Fachbereich Physik der Universität Siegen durch frühere Beteiligungen an Ballonexperimenten erworben, die sie gemeinsam mit Forschergruppen der NASA sowie aus Universitäten in den USA, Italien, Schweden und Indien durchgeführt haben. 

Zur Zeit wird das PAMELA-Experiment in Rom aufgebaut und für den Flug im Weltraum vorbereitet. Es ist geplant, dass es über einen Zeitraum von über drei Jahren wissenschaftliche Daten zur Erde sendet. Die Siegener Wissenschaftler werden sich an allen Phasen dieses Projektes aktiv beteiligen, insbesondere auch an der wissenschaftlichen Auswertung der Messdaten. 

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