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Dunkle Materie: Was können wir vom AMS-Experiment lernen?

Hochgenaue Messungen der kosmischen Strahlung mit dem Alpha-Magnet-Spektrometer AMS an Bord der Internationalen Raumstation halten Überraschungen bereit. John Ellis erklärt, was sie für die Teilchenphysik, die Modelle der Dunklen Materie und für andere neue Phänomene bedeuten.
Eine Simulation zeigt die Verteilung der Dunklen Materie im frühen Universum. Große Anhäufungen Dunkler Materie sind rot dargestellt, Konzentrationen mit mehr als 300 Millionen Sonnenmassen gelb.

Viele der Elementarteilchen, die wir heute kennen, wurden in der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts in der kosmischen Strahlung nachgewiesen. Dazu gehören beispielsweise das Positron (das Antiteilchen des Elektrons und damit der erste bekannte Vertreter der Antimaterie), das Myon (eine Art schweres Elektron) und die Pionen und Kaonen (instabile Teilchen, die aus einem Quark-Antiquark-Paar aufgebaut sind). Diese Entdeckungen haben den Grundstein für das Forschungsgebiet der Hochenergiephysik gelegt und unser modernes Verständnis von Elementarteilchen geprägt. Das liegt daran, dass die Wechselwirkungen von kosmischer Strahlung mit den Gasmolekülen in der oberen Erdatmosphäre zu den energiereichsten Ereignissen zählen, die wir kennen. Sie übertreffen dabei alles, was seinerzeit im Labor erreicht werden konnte – manche der hochenergetischen Teilchen in der kosmischen Strahlung übersteigen sogar die Energien, die mit dem größten irdischen Beschleuniger, dem Large Hadron Collider LHC, erreicht werden können.

Erst als ab den 1950er Jahren mit Teilchenbeschleunigern der Gigaelektronvolt-Energiebereich zugänglich wurde, begannen die Teilchenphysiker, sich bevorzugt künstlichen Quellen zuzuwenden. Teilchenbeschleuniger ermöglichten nun im Labor hochenergetische Wechselwirkungen unter kontrollierten Bedingungen, was ganz neue Wege für präzise Messungen und somit auch für die Untersuchung von seltenen Teilchen und Prozessen eröffnete ...

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  • Quellen

Fimiani, L. et al.: Interstellar 60Fe on the Surface of the Moon. In: Physical Review Letters 116, 151104, 2016

Fry, B.J. et al.: Radioactive Iron Rain: Transporting 60Fe in Supernova Dust to the Ocean Floor. In: The Astrophysical Journal 827:48, 2016

Giesen, G. et al.: AMS-02 Antiprotons, at last! Secondary Astrophysical Component and Immediate Implications for Dark Matter. In: Journal of Cosmology and Astroparticle Physics 09(2015)023, 2015

Ting, S.: Das Rätsel der kosmischen Strahlung. In: Sterne und Weltraum 5/2017, S. 24 – 31

Wallner, A. et al.: Recent Near-Earth Supernovae Probed by Global Deposition of Interstellar Radioactive 60Fe. In: Nature 532, S. 69 – 72, 2016