AMS – Die Suche nach der Dunklen Materie

Das Titelbild der Septemberausgabe von Spektrum der Wissenschaft ziert ein Weltraumexperiment, zu dem ich einen bescheidenen Beitrag leisten durfte: AMS. Im Februar soll AMS mit dem letzten Space Shuttle zur Internationalen Raumstation reisen und dort nach dem bizarrsten suchen, was sich Physiker zur Zeit ausdenken: Dunkle Materie, Antimaterie und sogar "seltsame" Materie.

AMS (kurz für Alpha Magnetic Spectrometer) wird dazu den Regen aus geladenen Teilchen untersuchen, der beständig auf die Erde niederprasselt. Dieser Teilchenregen wird auch als "kosmische Strahlung" bezeichnet, ist aber von der elektromagnetischen Strahlung (Radio, Licht, Infrarot, Gammastrahlung, etc.) zu unterscheiden. Die Teilchenstrahlung besteht im Wesentlichen aus den Bausteinen, aus denen die Materie um uns herum aufgebaut ist: Atomkerne und Elektronen, sowie deren Antiteilchen.

Ein Weltraumteleskop für Teilchenstrahlung

Diese Teilchen stammen aus den Tiefen des Weltalls. Sie kommen von anderen Sternen, entstehen in Supernovaexplosionen, oder werden von den Schwarze Löchen in aktiven Galaxienkernen auf Energien beschleunigt, die kein irdischer Teilchenbeschleuniger jemals erreichen wird. Neben der elektromagnetischen Strahlung, die Astronomen mit ihren Teleskopen auffangen, haben wir also eine Möglichkeit, die Materie von fernen Orten im Universum direkt zu untersuchen. Zwar können wir nicht hinfliegen und Proben nehmen, aber das ist auch nicht nötig: Die Materie kommt freiwillig zu uns!

Und da sie wertvolle Informationen über ihre Quellen und den Raum dazwischen enthält, ist das Interesse an ihrer Erforschung gewaltig. Mit AMS geht nun bald das "Hubbleteleskop für kosmische Teilchenstrahlung" in Betrieb. Noch nie wurde ein derart komplexer Apparat zur physikalischen Grundlagenforschung über einen so langen Zeitraum (AMS soll mindestens 10 Jahre funktionieren) im Weltraum betrieben.

Wie so ein "Teilchenteleskop" funktioniert ist im Artikel genauer beschrieben, nur so viel: Mit einem astronomischen Teleskop hat AMS nicht viel gemein. Es ähnelt eher den Detektoren, die in den unterirdischen Teilchenbeschleunigern zum Einsatz kommen. Hier soll es eher um die Bedeutung dieses Experiment für die Grundlagenforschung gehen. Immerhin arbeiten rund 600 Wissenschaftler und Ingenieure seit mehr als 10 Jahren an diesem Projekt, das nicht weniger als 1,5 Milliarden Euro gekostet hat – und das zu den bedeutendsten wissenschaftlichen Weltraummissionen zählen wird.

AMS und die Dunkle Materie

Ob es Dunkle Materie gibt, ist nicht unumstritten. Zur Zeit allerdings favorisiert die Mehrheit der Wissenschaftlergemeinde diese These, und weltweit wird nach den "dunklen" Teilchen gefahndet. Dies kann auf direktem Wege geschehen, etwa indem man versucht, diese Teilchen, WIMPs genannt, in der neuesten Generation von Teilchenbeschleunigern künstlich zu produzieren. Oder durch Untergrundexperimente, mit denen man die Stöße der WIMPs mit den Atomkernen eines Detektormaterials registrieren will. Bislang hat keines dieser Experimente eindeutige Resultate erzielt.

Es gibt aber auch einen indirekten Weg, und hier kommt AMS ins Spiel. Nehmen wir mal an, es gäbe tatsächlich WIMPs. Ein solches WIMP wäre gleichzeitig sein eigenes Anteilchen. Treffen sich zwei WIMPs, dann würden sie, wie "normale" Teilchen und Antiteilchen, zu Energie zerstrahlen. Aus dieser Energie würde nach der Einsteinschen Formel E=mc2 wieder Materie entstehen – und zwar bekannte Materie, in Form von Protonen, Elektronen, Positronen und so weiter. Diese Teilchen des täglichen Lebens, aus Dunkler Materie entstanden, wären ununterscheidbar von den restlichen Materieteilchen, die uns umgeben. Allerdings wären sie im Gegensatz zu den WIMPs relativ leicht nachweisbar.

Dunkle Materie wäre also eine zusätzliche, exotische Quelle für die Teilchen der kosmischen Strahlung. Es geht also darum, aus der Vielzahl der Teilchen diejenigen zu identifizieren, die aus der Zerstrahlung von WIMPs entstanden sind: die berühmten Suche nach der Nadel im Heuhaufen. Die so entstandenen Teilchen hätten eine sehr hohe Energie, doch woher weiss man, dass ein bestimmtes Positron oder Elektron diese Energie nicht auf "normalem" Wege erhalten hat, etwa in der Schockwelle einer Supernova? Man muss dazu die üblichen Verdächtigen gut kennen, also genau verstehen, welche Quellen wie zur kosmischen Strahlung beitragen.

AMS und die Antimaterie

Wenn Materie und Antimaterie im Urknall zu gleichen Teilen entstanden sein soll, wo ist dann die ganze Antimaterie hin? Unsere Welt besteht nur aus einer Materieart (die wenigen Antiteilchen, die man in der kosmischen Strahlung findet – Positronen und Antiprotonen – entstehen ständig in geringen Mengen durch Kollisionen der Teilchen untereinander). Gab es also im Urknall mehr Materie als Antimaterie? Oder gibt es im Universum ganze Welten – Galaxien, Sterne und Planeten – aus reiner Antimaterie?

Das klingt sehr nach Science Fiction, aber ausschließen kann man es bisher nicht. Gelänge es, auch nur einen einzigen Antikohlenstoffkern in der kosmischen Strahlung zu finden, dann wäre dies der Beweis, dass es irgendwo Sterne aus Antimaterie gegeben haben muss, denn solch schwere Atomkeren können nur im Fusionsfeuer einer Sonne erbrütet werden. Ernsthaft rechnet wohl niemand mit so einem Fund. Vielleicht findet AMS "nur" Antihelium – dass immerhin würde zeigen, dass doch etwas Antimaterie aus dem Urknall übrig geblieben ist.

AMS auf der Suche nach der seltsamem Materie

Dunkle Materie, Antimaterie aus dem Urknall – ob es so etwas im Universum gibt, könnte mit AMS bald beantwortet werden können. (Nachtrag: AMS alleine wird endgültige Antworten jedoch nicht liefern können, siehe Kommentare.) Doch es gibt noch andere Seltsamkeiten. Normale Materie (Atomkerne) sind aus Protonen und Neutronen (den Nukleonen) aufgebaut. Diese bestehen ihrerseits aus je drei Quarks. Man kennt inzwischen sechs verschiedene Quark-Arten, doch die Natur verwendet offenbar nur die beiden leichtesten (das up-Quark und das down-Quark) zur Bildung der Materie.

Wozu der Rest? Könnte es auch Nukleonen mit schweren Quarks geben? Ein Kandidat dazu ist das sogenannte strange-Quark (das "seltsame" Quark). Man vermutet, dass es eingebaut in Nukleonen "seltsame" Materie bilden könnte (strange matter oder Strangelets). (Physiker haben offensichtlich Humor oder sind nicht besonders erfindungsreich bei der Namensgebung.) Vielleicht gibt es irgendwo im Welltall solche Strangelets. AMS könnte sie finden.

Ein neues Bild des Universums

Doch AMS sucht nicht nur nach diesen bizarren Teilchen – die Suche könnte sich ja auch als ergebnislos herausstellen! AMS wird vor allem eines tun: ein neues Bild des Universums zeichnen, des Universums im Licht der Teilchenstrahlung. Wobei man keine Himmelskarten wie die des Planck-Satelliten erwarten darf: Geladene Teilchen kommen auf völlig beliebigen Richtungen, sie weisen in der Regel nicht auf ihre Quellen zurück (mehr dazu im Artikel).

AMS ist nicht das erste Teilchenteleskop im Weltraum, aber es ist das größte und aufwändigste, dass jemals gebaut wurde. Welche Erkenntnisse dieses Instrument über die Welt des Größten und die Welt des Kleinsten – der Kosmologie und der Elementarteilchenphysik – liefern wird, weiss man noch nicht. Wenn sich die Geschichte fortsetzt, dann wird auch dieses neue Fenster ins Weltall neue, revolutionäre Erkenntnisse bringen. Wer weiss, vielleicht gibt es ja da draußen noch weit verrückteres Zeug als Strangelets, WIMPs und Antimaterie… 

Das AMS-Experiment wurde übrigens gestern von Genf zum Kennedy Space Center in Florida geflogen. Der Start mit der Shuttle-Mission STS-134 ist auf den 26. Februar 2011 festgesetzt. Auf der offiziellen Homepage des Experiments gibt es alles Wissenswerte zu dem Detektor und seiner Mission.

Alle Bilder (außer Spektrum-Titelblatt): NASA/MIT/AMS-Collaboration

Mit dem Astronomievirus infiziert wurde ich Mitte der achtziger Jahre, als ich als 8-Jähriger die Illustrationen der Planeten auf den ersten Seiten eines Weltatlas stundenlang betrachtete. Spätestens 1986, als ich den Kometen Halley im Teleskop der Sternwarte Aachen sah (nicht mehr als ein diffuses Fleckchen, aber immerhin) war es um mich geschehen. Es folgte der klassische Weg eines Amateurastronomen: immer größere Teleskope, Experimente in der Astrofotografie (zuerst analog, dann digital) und später Reisen in alle Welt zu Sonnenfinsternissen, Meteorschauern oder Kometen. Visuelle Beobachtung, Fotografie, Videoastronomie oder Teleskopselbstbau – das sind Themen die mich beschäftigten und weiter beschäftigen. Aber auch die Vermittlung von astronomischen Inhalten macht mir großen Spaß. Nach meinem Abitur nahm ich ein Physikstudium auf, das ich mit einer Diplomarbeit über ein Weltraumexperiment zur Messung der kosmischen Strahlung abschloss. Trotz aller Theorie und Technik ist es nach wie vor das Erlebnis einer perfekten Nacht unter dem Sternenhimmel, das für mich die Faszination an der Astronomie ausmacht. Die Abgeschiedenheit in der Natur, die Geräusche und Gerüche, die Kälte, die durch Nichts vergleichbare Schönheit des Kosmos, dessen Teil wir sind – eigentlich braucht man für das alles kein Teleskop und keine Kamera. Eines meiner ersten Bücher war „Die Sterne“ von Heinz Haber. Das erste Kapitel hieß „Lichter am Himmel“ – daher angelehnt ist der Name meines Blogs. Hier möchte ich erzählen, was mich astronomisch umtreibt, eigene Projekte und Reisen vorstellen, über Themen schreiben, die ich wichtig finde. Die „Himmelslichter“ sind aber nicht immer extraterrestrischen Ursprungs, auch in unserer Erdatmosphäre entstehen interessante Phänomene. Mein Blog beschäftigt sich auch mit ihnen – eben mit „allem, was am Himmel passiert“. jan [punkt] hattenbach [ät] gmx [Punkt] de Alle eigenen Texte und Bilder, die in diesem Blog veröffentlicht werden, unterliegen der CreativeCommons-Lizenz CC BY-NC-SA 4.0.

11 Kommentare Schreibe einen Kommentar

  1. Glückwunsch

    Hallo Jan,
    meinen Glückwunsch, dass du das Titelthema der Spektrum geschrieben hast!
    Das ist ja quasi ein Ritterschlag ;o)

    Freu mcih schon darauf, sie in meinem Briefkasten zu finden die Tage.

    Kai

  2. Super!

    Schöner Artikel (der hier im Blog, den anderen habe ich noch nicht gelesen), und auch von mir herzlichen Glückwunsch!

    Was genau hast Du denn am AMS mitgebaut/geplant? Das ist sicherlich spannend, jetzt auf den Start zu warten. Ich wünsche dem ganzen Team viel Erfolg!

  3. Alternative Betrachtungen

    Ich bin immer wieder fasziniert von den Geräten, die die Wissenschaftler konstruieren und bauen, um unserem Universum seine Geheimnisse zu entreißen und voll davon überzeugt, dass das AMS die Arbeit zu leisten vermag, für die es gebaut wurde, nämlich die Detektierung der Teilchenstrahlung. Mit Spannung werden die Berichte im Spektrum der Wissenschaft über die erzielten Ergebnisse erwartet.
    Nicht überzeugt bin ich von der Existenz der DM, weil man den Zusammenhalt der Galaxien, sofern man das will, auch anders erklären kann.
    Wenden wir uns in dieser Beziehung wieder mal den kosmologischen Funktionen zu. Kosmologische Funktionen bedürfen übrigens keines übergeordneten Planes. Die DM hätte u. a. die Funktion, gemeinsam mit der „gewöhnlichen“ Materie die Galaxien über die Gravitation zusammen zu halten. Wenn dann noch 23% des Universums aus DM bestehen, kann man auch nicht von der Suche der Nadel im Heuhaufen sprechen. Immerhin ist das rund die 6-fache Menge der herkömmlichen Materie.
    Ich habe eine andere, funktional ausgerichtete Kosmologie. Bevor mein Bild über das Universum fertig ist, bedarf es noch vieler Puzzleteile, die zusammengetragen werden müssen. Und bei jedem Puzzleteil ist immer wieder die zwingende Frage zu stellen, ob es mit dem übereinstimmt, was ich durchs Fernrohr von GG sehen kann. Und die DM ist gegenwärtig eben nicht zu sehen.
    Nehmen wir mal noch das von Ihnen angesprochene Thema des Verbleibs der Antimaterie. Auch hier gibt es im Universum Funktionen, die das Entstehen von Antimaterie verhindern können (ich meine hierbei nicht das sporadische Entstehen von einzelnen Teilchen).
    Alles das erschließt sich einem aber nur, wenn man sich nicht von vornherein festlegt.
    Joachim Blechle

  4. @Mierk

    Ich habe mich am I. Physikalischen Institut in Aachen beim Bau des Übergangsstrahlungsdetektor mitgearbeitet. Es wird das erste Mal sein, dass ein gasgefüllter Detektor über einen so langen Zeitraum im All betrieben wird.

    Ich hoffe auch, dass jetzt alles gut geht. Und dass es nach all den Verzögerungen bei dem nun anvisierten Starttermin bleibt!

  5. @Joachim Blechle

    „Und bei jedem Puzzleteil ist immer wieder die zwingende Frage zu stellen, ob es mit dem übereinstimmt, was ich durchs Fernrohr von GG sehen kann. Und die DM ist gegenwärtig eben nicht zu sehen.“

    Nun ja, wenn nur das, was durch ein optisches Fernrohr sichtbar ist (noch dazu ein 400 Jahre altes, als „existierend“ gelten würde, dann wären wir nicht weit gekommen. Zeigen Sie mir ein Quark!

  6. Joachim Blechle an Jan Hattenbach

    Hallo Jan Hattenbach,
    ich gehe davon aus, dass Sie die Geschichte von Galileo Galilei kennen. Nicht nur aus der Geschichte heraus hat das Fernrohr von GG hat bei mir einen sehr hohen symbolischen Stellenwert. Das“ Sehen“ im funktionalen Sinne umfasst viel mehr als nur durch das Fernrohr schauen, z. B. auch die mögliche Detektierung durch das AMS. Aber die DM muss eben erst mal detektiert (und damit sichtbar gemacht) sein. Bis dahin bleibt sie hypothetisch.
    Joachim Blechle

  7. @Joachim Blechle

    Ok, einverstanden.

    Aber zur „Detektion“: AMS kann keine Dunkle Materie nachweisen oder „sehen“, sondern könnte einen Positronenüberschuss in der kosmischen Strahlung messen. Wenn diese als Zerfallsprodukt der DM interpretiert werden können, wäre das ein Hinweis auf die Existenz von DM-Teilchen. Als Beweis für die Existenz der DM würde das aber nicht ausreichen, dazu müssten mehrere Puzzleteile zusammenkommen:

    -wenn der LHC supersymmetrische Teilchen entdeckt, dann heißt das, dass sie existieren (zumindest im Labor künstlich erzeugbar sind)

    -wenn CDMS und andere DM-Suchexperimente statistisch signifikant die Existenz von WIMPS zeigen, dann wäre dies der Beweis, dass diese Teilchen in der Natur vorkommen

    -wenn AMS und andere Satellitenexperimente einen Teilchenüberschuss in der kosm. Strahlung finden, der nicht durch andere Quellen zu erklären ist, dann wäre das der Beweis, dass es dort draußen eine weitere Quelle für diese Teilchen geben muss, etwa DM

    -und wenn diese drei Befunde nicht nur qualitativ, sondern auch quantitativ zusammenpassen (Rate und Energie der in AMS gemessenen Teilchen und die Rate der in CDMS und anderen gemessenen Stöße entspricht der Erwartung dem aufgrund der im LHC gefundenen Teilchen)-

    dann und erst dann wird man von einer Detektion der Dunklen Materie sprechen können.

    Das ist noch ein langer Weg, und biss dahin darf und soll man skeptisch bleiben. Vorher ist jede vermeintliche Entdeckung der Dunklen Materie bloß Stückwerk!

  8. an Jan Hattenbach

    Gut, überlassen wir mal die Suche nach der DM den Physikern. Sie bekommen Forschungsmittel und werden dafür bezahlt.
    In dem Gesamtkomplex „Galaxie“ müssen die weiter offengebliebenen Fragen beantwortet werden. Ich will mal einige der mir wichtig erscheinenden Fragen nennen.
    Was sind Galaxien, wie entstehen sie und welche Funktion haben sie? Wie kommt es zur „Inselbildung“? Wie kommt es zur Symmetrie in den Spiralgalaxien und Balkenspiralgalaxien? Wie entsteht die Rotationskurve? Wie kommen die Sterne in der Galaxie zu Ihrer Geschwindigkeit? Was hindert die Galaxien daran, auseinanderzudriften? Wie kommt es zur Scheibenstruktur? Wie kommt es zu Bildung und zur Anordnung der Satellitengalaxien? Wie bestimmt man das Alter der Galaxien?
    Selbst das Hinzufügen gewaltiger Mengen an DM bringt uns der Beantwortung der gestellten Fragen kaum näher. Hier helfen tatsächlich nur alternative Lösungen. Und die machen die Kosmologie erst richtig interessant.
    Joachim Blechle

  9. 5 Beweise für den Urknall

    Sie schreiben 5 Beweise für den Urknall und führen mitunter Rotverschiebung, Dunkle Materie usw an.Meiner Meinung nach ist rein gar nichts bewiesen was einen Urknall beweisen könnte.Das Universum kann unmöglich von einem Punkt ausgegangen sein.Vielmehr fasziniert mich die Vorstellung eines sich immer wieder ausdehnenden und zusammenziehenden Universums in dem Raum und Zeit verschmelzen.Dies würde viele derzeit offene Fragen der Astr. erklären.

  10. Humorfreie Materie

    Jan Hattenbach schrieb (27. August 2010, 16:28):
    > Atomkerne […] sind aus Protonen und Neutronen (den Nukleonen) aufgebaut. Diese bestehen ihrerseits aus je drei Quarks.

    Teilchen, die aus je drei (Valenz-)Quarks bestehen, werden allgemeiner „Baryonen“ genannt.
    Proton und Neutron sind die beiden leichtesten Baryonen, bestehend aus den beiden leichtesten Quark-Arten („up“ bzw. „down“).

    > […] Könnte es auch Nukleonen mit schweren Quarks geben? Ein Kandidat dazu ist das sogenannte strange-Quark

    Nein — per Definition von „Nukleon“ als entweder Proton oder Neutron oder (allenfalls) auch deren angeregte Zustände, bestehend aus den selben (Valenz-)Quark ( vgl. http://de.wikipedia.org/…eon#Nukleonenresonanzen ).

    Aber gewiss sind zahlreiche Baronen mit schweren Quarks vorstellbar, und viele davon wurden bereits in Kollisions-Experimenten nachgewiesen ( vgl. http://de.wikipedia.org/wiki/Liste_der_Baryonen ); insbesondere schon (längst) alle Baryonen-Grundzustände, die aus up-, down- und strange-Quarks bestehen, und auch die entsprechenden Anti-Baryonen.

  11. Pingback: Neue AMS-Ergebnisse – was sie bedeuten und was nicht › Himmelslichter › SciLogs - Wissenschaftsblogs

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