Neue AMS-Ergebnisse: Was sie bedeuten – und was nicht

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Gestern Nachmittag stellte Professor Samuel Ting am Cern die neuesten Resultate des AMS02-Detektors auf der Internationalen Raumstation vor (AMS war schon mehrfach Thema hier im Blog). Dabei handelte es sich um neue Messergebnisse der Flüsse von Elektronen und Positronen der kosmischen Strahlung und der daraus abgeleiteten Positron-Fraction (die im Prinzip den Anteil der Positronen am Gesamtfluss aus Elektronen und Positronen angibt). Gerade diese Antiteilchen sind sehr interessant für die Physik, da sie einigen Theorien zufolge bei der Zerstrahlung der hypothetischen Teilchen der Dunklen Materie entstehen können. Die Stoßrichtung ist damit klar: Finde überzählige Positronen in der kosmischen Strahlung, und erhalte damit Rückschlüsse auf die Natur der Dunklen Materie.

Die von AMS02 gemessene Positron-Fraction (rote Punkte) und der erwartete Verlauf *ohne* zusätzliche Quelle (grüne Linie). Eindeutig ist der Überschuss ab etwa 8 GeV zu erkennen - es muss also eine bisher unbekannte Positronenquelle im All geben. Bild: AMS-Kollaboration
Die von AMS02 gemessene Positron-Fraction (rote Punkte) und der erwartete Verlauf *ohne* zusätzliche Quelle (grüne Linie). Eindeutig ist der Überschuss ab etwa 8 GeV zu erkennen – es muss also eine bisher unbekannte Positronenquelle im All geben. Bild: AMS-Kollaboration

Tatsächlich hat AMS (wie schon andere Experimente zuvor) einen Positronenüberschuss gefunden. Ab etwa 8 GeV Energie steigt die Positron-Fraction deutlich an. Anders als bei der letzten Veröffentlichung sei man sich aber nun endgültig sicher, dass dieser Anstieg auch wirklich durch zusätzliche Positronen zustande kommt und nicht etwa durch fehlende Elektronen, eine Variante, die man bisher nicht völlig ausschließen konnte, so Ting.

Damit ist klar: Es gibt eine unbekannte Quelle für Positronen bei Energien von 8 GeV bis mindestens 500 GeV (so weit reichen bislang die AMS-Messungen der Positron-Fraction).

Außerdem – und das ist neu – hat AMS nun ein Maximum dieses Überschusses ausgemacht: Ab 275 GeV (±32 GeV) nimmt die Positron-Fraction wieder ab (bzw. wird die Steigung der entsprechenden Kurve Null). Dass es ein Maximum gibt – und dass es bei dieser relativ niedrigen Energie liegt – macht Hoffnung: Den Dunkle-Materie-Modellen zufolge müsste die Positron-Fraction nämlich ab einer gewissen Energie deutlich abfallen, die Lage des “Knicks” hängt von der Masse des hypothetischen WIMPs (des Dunkle-Materie-Teilchens) ab.

Steigung (oben) und absoluter Verlauf (unten) der Positronfraction bis 500 GeV. Die Steigung wird Null bei einer Energie von 275 GeV - die Positron-Fraction hat also dort ein Maximum. Bild: AMS-Kollaboration
Steigung (oben) und absoluter Verlauf (unten) der Positron-Fraction bis 500 GeV. Die Steigung wird Null bei einer Energie von 275 GeV – die Positron-Fraction hat also dort ein Maximum. Bild: AMS-Kollaboration

Die wichtige Nachricht: Bei einem Maximum von 275 GeV ist sehr wahrscheinlich, dass AMS den absteigenden Ast der Kurve bis etwa 1000 GeV wird messen können. Weil so energiereiche Teilchen aber sehr selten sind, braucht es noch ein paar Jahre, um eine genügend große Anzahl davon zu sammeln.

Auch bezüglich der Herkunftsrichtung der Positronen hat AMS verbesserte Resultate vorgelegt. Die Positronen kommen weiterhin von allen Seiten gleichmäßig, wie man es für eine diffuse Quelle (etwa Dunkle-Materie-Wolken in der Galaxie) erwarten würde. Die Alternativerklärung zur Dunklen Materie – nahe Pulsare – lässt eher eine anisotrope Verteilung der Herkunftsrichtungen sowie ein Abbrechen der Positron-Fraction bei höheren Energien erwarten.

Was bedeutet das neue AMS-Resultat also? Der Positronenüberschuss bei hohen Energien ist echt, und es zeichnet sich ein Maximum bei etwa 275 GeV ab. Das und die Isotropie der Herkunftsrichtungen deutet auf eine diffuse Quelle.

Was bedeutet es nicht? AMS hat keinen Beweis für und auch keinen Hinweis auf die Existenz der Dunklen-Materie-WIMPs gefunden. Für alle diesbezüglichen Aussagen ist es viel zu früh. Allerdings schließen die Messungen Dunkle Materie als Quelle für die zusätzlichen Positronen bislang auch nicht aus.

Der kombinierte Fluss von Elektronen und Positronen, gemessen von AMS02 (rote Punkte) und vorherigen Experimenten: Noch nie konnte die kosmische Strahlung so präzise vermessen werden. Die AMS-REsultate werden auf Jahre maßgeblich für die Erforschung der kosmischen Strahlung sein. Bild: AMS-Kollaboration
Der kombinierte Fluss von Elektronen und Positronen, gemessen von AMS02 (rote Punkte) und vorherigen Experimenten: Noch nie konnten die Flüsse so präzise vermessen werden. Rund 41 Milliarden Teilchen hat AMS seit seinem Start 2011 bereits vermessen, etwa 10 Millionen davon wurden als Elektronen oder Positronen identifiziert. Die AMS-Resultate werden auf Jahre maßgeblich für die Erforschung der kosmischen Strahlung sein. Bild: AMS-Kollaboration

Wird AMS bis 2024 auf der ISS messen können, sollte sich aber zumindest eine Entscheidung zwischen Pulsaren und WIMPs mit AMS treffen lassen.

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.

10 Kommentare

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  2. Lubos Motl zeigt sich etwas enttäuscht über den fehlenden starken Abfall der Positronenfraktion in höheren Energiebereichen wie sie bei der Herkunft aus einem Zerfall von dunkler Materie zu erwarten wäre. Die Daten sind also noch nicht so gut um einen starken Hinweis auf dunkle Materie zu geben.

    • Es ist schon lustig: Motl glaubt, Ting würde die interessantesten Daten zurückhalten, “vielleicht, um die Finanzierung des Experiments zu sichern”. Ist es nicht viel wahrscheinlicher, das AMS mit seinen Veröffentlichungen zurückhaltend ist, um nicht “den BICEP” zu machen – also spektakuläre Claims zu machen die sie womöglich nachher wieder zurückziehen müssen? Wenn die Statistik über 500 GeV (ich glaube auch, dass die da schon Daten haben) noch nicht gut genug ist, hält man sie halt besser unter Verschluss. Das ist ihre Politik, kan man gut finden oder nicht, ist aber so. Ich finde sie in Zeiten vorschneller Behauptungen eher gut.

  3. Jan Hattenbach schrieb (19. September 2014):
    > Rund 41 Milliarden Teilchen hat AMS seit seinem Start 2011 bereits vermessen, etwa 10
    Millionen davon wurden als Elektronen oder Positronen identifiziert.

    Tatsächlich!

    Da ist ja erheblich mehr los im AMS-02 als (“nur”) Elektronen und Positronen!

    Wenn man von den schon bis 2013 gewonnenen Flux-Messungen ausgeht, ist sogar bis jenseits von 1 TeV erheblich mehr (schon Bekanntes) los als (“nur”) Elektronen und Positronen …

    • Jan Hattenbach schrieb (19. September 2014):
      > Wird AMS bis 2024 auf der ISS messen können, sollte sich aber zumindest eine Entscheidung zwischen Pulsaren und WIMPs mit AMS treffen lassen.

      Résonaances (und dort genannte Referenzen) weisen auch auf die (weitere, schon bekannte) Möglichkeit hin, dass das, was im AMS-02 so erheblich los ist, auch außerhalb vom AMS-02 beachtlich losgetreten haben kann.

      • Jester bezieht sich auf die Möglichkeit, dass der Hintergrund sekundärer Positronen (die grüne Linie in der 1. Abbildung oben) falsch ist. Das schöne an den AMS-Daten ist, dass man momentan herrlich herumspekulieren kann.

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  5. Hypothetische Teilchen der Dunklen Materie verhalten sich, so habe ich gelesen, als Majorana-Teilchen, sind also quasi ihre eigenen Antiteilchen, zerstrahlen sich folglich gegenseitig, woraus ein (möglicherweise von AMS-02 gemessener) Positronenüberschuss resultiert. Welche quantenphysikalische Reaktionskette bedingt nun aber genau diesen Positronenüberschuss? Ich konnte trotz gründlicher Recherche im Netz nichts dazu finden und wäre für Hinweise/Erläuterungen sehr dankbar!

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