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AMS
Weiterer Hinweis auf Natur der Dunklen Materie?
Redaktion / Pressemitteilung der RWTH Aachen
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19. September 2014

Am CERN in Genf wurden gestern die neusten Ergebnisse des Alpha-Magnet-Spektrometers (AMS) vorgestellt, das an Bord der Internationalen Raumstation ISS die Partikel der kosmischen Strahlung misst. Die neuen Daten könnten weitere Hinweise auf die Natur der Dunklen Materie liefern und etwa für die Existenz sogenannter Neutralinos sprechen.

AMS

Blick auf das AMS-Experiment, das an der ISS montiert ist. Die Aufnahme entstand im Sommer 2011 während eines Außenbordeinsatzes.  Bild: NASA [Großansicht]

Gestern wurden am europäischen Forschungszentrum CERN in Genf die jüngsten Ergebnisse der Messung hochenergetischer Elektronen und Positronen mithilfe des Detektors AMS an Bord der Internationalen Raumstation ISS vorgestellt. Nach Angaben von Professor Dr. Samuel C.C. Ting, Sprecher des AMS-Projektes, basieren die Resultate auf etwa 41 Milliarden in den letzten drei Jahren mit dem Teilchendetektor AMS aufgezeichneten Ereignissen. Etwa 10 Millionen davon wurden als Elektronen und Positronen identifiziert.

Dabei hat AMS den Positronen-Anteil, das heißt das Verhältnis der Anzahl gemessener Positronen zur Gesamtsumme der Positronen und Elektronen, im Energiebereich von 0.5 bis 500 Giga-Elektronenvolt (GeV) gemessen. Ab einer Energie von 8 GeV steigt dieser Anteil rapide an und hat - wie jetzt erstmals gezeigt werden konnte - ein Maximum bei etwa 275 GeV. Dies deutet auf eine neue Quelle von Positronen hin.

Die präzise Messung des Positronen-Anteils könnte entscheidende Hinweise zum Verständnis des Ursprungs der Dunklen Materie liefern. So könnten etwa Kollisionen von Teilchen der Dunklen Materie einen Positronen-Überschuss erzeugen. Kollisionen der gewöhnlichen kosmischen Strahlung mit dem interstellaren Medium haben zur Folge, dass der Positronen-Anteil bei steigender Energie kontinuierlich abnimmt, was den jetzt vorgestellten Ergebnissen von AMS widerspricht.

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Je nach den Eigenschaften der Dunklen Materie hat der überschüssige Positronen-Anteil eine ganz eigene Signatur. Die neuen Ergebnisse lassen auf die Beobachtung eines neuen physikalischen Phänomens schließen und seien, so das Team, mit der Existenz eines Neutralinos, eines möglichen Teilchens der Dunklen Materie, vereinbar.

Um jedoch festzustellen, ob das beobachtete neue Phänomen tatsächlich auf die Existenz Dunkler Materie zurückzuführen ist oder auf andere astrophysikalische Quellen wie beispielsweise Pulsare, müssen weitere Messungen mit AMS durchgeführt werden. Diese sollen die Rate der Abnahme des Positronen-Anteils jenseits des nun nachgewiesenen Maximums bestimmen, sowie auch den Anteil der Antiprotonen in der kosmischen Strahlung vermessen.

Darüber hinaus war es dem AMS-Team möglich, präzise Messungen des Elektronen- und Positronen-Flusses vorzunehmen, also die Intensitäten der Elektronen und Positronen in der kosmischer Strahlung zu ermitteln. Die Messungen zeigen erstmals quantitativ, wie sehr sich Elektronen und Positronen in der Energieabhängigkeit und in der Intensität des Flusses unterscheiden. Das Verhalten des Flusses als Funktion der Energie wird durch den Spektralindex charakterisiert; erwartet wurde ein Fluss proportional zur Energie potenziert mit dem Spektralindex. Das Ergebnis zeigt aber, dass keiner der Flüsse mit einem konstanten Spektralindex beschrieben werden kann.

Insbesondere zeigt sich im Bereich zwischen 20 und 200 GeV überraschenderweise, dass die Änderungsrate des Positronen-Flusses höher ist als die Änderungsrate des Elektronen-Flusses. Damit wird klar, dass der Überschuss des Positronen-Anteils auf einen relativen Überschuss von hochenergetischen Positronen zurückzuführen ist – wie er bei einer Kollision Dunkler Materie zu erwarten ist –, und nicht auf den relativen Verlust beziehungsweise die relative Abnahme hochenergetischer Elektronen.

Die Beobachtungen zu den Elektronen- und Positronen-Flüssen belegen den fundamentalen Unterschied zwischen Materie (Elektronen) und Antimaterie (Positronen). Schon andere Experimente hatten in den letzten 50 Jahren versucht, den Gesamtfluss aus Elektronen und Positronen in der kosmischen Strahlung zu bestimmen. Einige haben in diesem Spektrum Strukturen in dem Energiebereich 300 bis 800 GeV beobachtet, die als Hinweis auf neue physikalische Effekte gewertet wurden. Die neuen Ergebnisse von AMS zeigen einen glatten Gesamtfluss und schließen damit solche Effekte bis zu einem Energiebereich von 1.000 GeV aus.

Das Alpha-Magnet-Spektrometer (AMS) ist ein sieben Tonnen schweres und 1,5 Milliarden Euro teures Instrument, das zehn Jahre lang von mehr als 500 Forschern und Ingenieuren aus 16 Ländern entwickelt wurde. AMS wurde im Mai 2011 mit dem letzten Flug des Space Shuttles Endeavour zur Internationalen Raumstation gebracht. Die Wissenschaftler gehen von einer Betriebszeit bis 2024 für AMS aus. In Deutschland werden die Arbeiten durch das DLR gefördert.

Prof. Stefan Schael von der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen koordinierte die deutschen Beiträge und hat mit seinem Team mehrere AMS-Komponenten in Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe von Prof. Wim de Boer am Karlsruher Institut für Technologie entwickelt und gebaut. Zusammen mit dem Jülich Supercomputing Centre unter Leitung von Prof. Thomas Lippert hat diese Gruppe jetzt maßgeblich zu den neuen Ergebnissen beigetragen.

Über die aktuellen Messungen berichten die Wissenschaftler jetzt in der Fachzeitschrift Physical Review Letters.

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siehe auch
AMS: Eine Spur der Dunklen Materie? - 3. April 2013
Teilchenphysik: Nachwuchs forscht über Dunkelmaterie - 17. Mai 2011
STS-134: Endeavour vor letztem Flug ins All - 20. April 2011
Links im WWW
Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen
CERN
Alpha Magnetic Spectrometer, Homepage der NASA
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