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Großexperiment AMS

Teilchendetektor im Kreuzfeuer

Seit sieben Jahren hält ein milliardenschweres Instrument an Bord der ISS Ausschau nach Dunkler Materie und Urknall-Antimaterie - bisher vergeblich. War das Gerät dennoch sein Geld wert?
Seit 2011 misst das AMS-Experiment an Bord der Internationalen Raumstation ISS die kosmische Strahlung, die sich aus einer Vielzahl von Teilchen zusammensetzt.

Wenn Samuel Ting vor seine Mitarbeiter tritt, wird es andächtig still im Saal. Der US-amerikanische Physiker mit chinesischen Wurzeln, Nobelpreisträger von 1976, ist trotz seiner 82 Jahre der unbestrittene Chef des Forscherteams, welches das Alpha Magnetic Spectrometer (AMS) auf der Internationalen Raumstation ISS betreibt. Ihm fällt es deshalb zu, alle paar Jahre die neuesten Ergebnisse des sieben Tonnen schweren Teilchendetektors zu präsentieren.

So auch im Mai dieses Jahres im großen Auditorium des Genfer Kernforschungszentrums CERN. Forscher aus aller Welt hatten sich versammelt, um Tings Vortrag zu lauschen. In einer Ankündigung hatte dieser ein »neues Verständnis des Kosmos« in Aussicht gestellt. Entsprechend groß war die Spannung unter den Zuhörern. Hatte AMS endlich handfeste Hinweise auf die Dunkle Materie gefunden? Oder vielleicht »primordiale« Antimaterieteilchen?

Samuel Ting
AMS-Präsentation am CERN | Bereits im Jahr 2013 stellte Samuel Ting Daten des Weltraumdetektors AMS am Genfer Kernforschungszentrum CERN vor.

Sie wären der Beweis, dass aus dem Urknall nicht nur die uns bekannte Materie hervorgegangen ist, sondern auch große Mengen Antimaterie. Das wäre sicherlich einen Nobelpreis wert, genauso wie die Entschlüsselung der Dunklen Materie – jenem rätselhaften Stoff, der den Raum zwischen Sternen und Galaxien füllen soll.

Wer im Mai vor Tings Vortrag auf derlei Ergebnisse gehofft hatte, wurde enttäuscht: Die große Sensation blieb aus. Zwar präsentierte der Nobelpreisträger wie erwartet neue Messdaten des AMS-Detektors, der nun schon seit sieben Jahren an der Außenhülle der ISS durchs Weltall treibt. Aber eine eindeutige Interpretation in Sachen Dunkler Materie oder Antimaterie ließen die neuesten Ergebnisse nicht zu.

Detektor mit turbulenter Geschichte

Tatsächlich war es nicht das erste Mal, dass das ISS-Instrument Hoffnungen auf einen großen Durchbruch geschürt hatte. Seit Jahren zählt AMS daher wohl zu den umstritteneren Experimenten in der Weltraumforschung. Astrophysiker und unabhängige Beobachter fragen sich: Sind die 1,5 Milliarden US-Dollar, die das Projekt bisher gekostet hat, wirklich gut investiertes Geld? Oder hätte man es lieber anderweitig ausgeben sollen?

Die Frage ist auch deshalb brisant, weil längst nicht feststeht, wie lange Ting und seine Kollegen AMS noch nutzen können. In einem Bericht für das amerikanische Department of Energy (DoE), einem der Hauptgeldgeber von AMS, stellten Gutachter zuletzt offen den Weiterbetrieb in Frage.

Tatsächlich war das AMS-Projekt von Anfang an ein Sorgenkind: Das einzige große physikalische Grundlagenexperiment der Internationalen Raumstation wäre sogar um ein Haar auf dem Boden geblieben. Eigentlich sollte AMS im Jahr 2003 mit einem Spaceshuttle ins All starten. Wenige Monate zuvor stürzte jedoch das Shuttle »Columbia« ab, die gesamte Crew kam dabei ums Leben. Das besiegelte das Ende des amerikanischen Raumfährenprogramms – und hätte leicht auch AMS begraben können.

Aber in den Folgejahren warb Ting nachdrücklich für sein Projekt. Wäre es nur um eine Inventur der kosmischen Strahlung gegangen, also jenem Strom aus Atomkernen und Teilchen, die aus dem Weltall unablässig auf die Erdatmosphäre einprasseln, wäre er wohl auf taube Ohren gestoßen.

»Meiner Meinung nach enthält der Positronenüberschuss keinen Beleg für Dunkle Materie«(Alvaro De Rújula, CERN)

Doch der Physiker stellte Antworten auf die ganz großen Fragen des Universums in Aussicht: Wenn die Dunkle Materie wirklich aus neuen Teilchen besteht, dann sollte AMS überzähle Positronen (die Antiteilchen der Elektronen) aufspüren, die bei der gegenseitige Vernichtung der hypothetischen Dunkle-Materie-Partikel entstehen könnten, argumentierte Ting. Und wenn es im Universum tatsächlich Gegenden aus purer Antimaterie gäbe, womöglich sogar ganze Sterne aus dem Antistoff, dann sollte AMS früher oder später Antiatomkerne von Helium und schwereren Elementen auffangen.

Mit diesen Aussichten überzeugte der Amerikaner schließlich genügend Entscheidungsträger. Im Mai 2011 hob AMS daher doch noch ab, mit dem letzten Flug des »Endeavour«-Spaceshuttles, der eigentlich bereits abgesagt worden war. Im Erdorbit hat das Instrument seither mehr als 117 Milliarden kosmische Partikel registriert und nach Sorte, Masse und Energie sortiert.

Ursprünglich war seine Lebensdauer auf drei Jahre angesetzt, nun ist es bereits mehr als doppelt so lang im Einsatz. So hat AMS einen Datensatz geliefert, der in diesem Umfang einmalig ist und der sicherlich eine Bereicherung für die Astrophysik darstellt. Aber enthält er auch jene sensationellen Ergebnisse, die sich seine Förderer erhofft haben?

Inventar der kosmischen Strahlung

Ting scheint mit den bisherigen Ergebnissen sehr zufrieden zu sein: Mit AMS habe man die bislang präzisesten Energiespektren aller Komponenten der kosmischen Strahlung ermittelt, sagte er in Genf. Nun wisse man also genauer als zuvor, wie oft Protonen, Elektronen, Heliumatomkerne und andere Nuklide auf die Erdatmosphäre treffen, und welche Energie die Teilchen jeweils haben.

Auch habe AMS exotische Teichen aufgespürt, nämlich Antiprotonen und Positronen. Diese Antimaterie hat allerdings ziemlich sicher einen vergleichsweise profanen Ursprung: Sie ist entstanden, als Protonen mit anderen Atomkernen des interstellaren Gases kollidierten. Damit liefern die exotischen Partikel zwar keinen Hinweis darauf, dass große Mengen Antimaterie den Urknall überdauert haben. Aber dafür könnten die bisher nachgewiesenen Antiprotonen und Positronen den Schüssel für das Verständnis der Dunklen Materie enthalten, meint Ting.

Auf den ersten Blick scheint die Argumentation auch sehr schlüssig zu sein: Viele Physiker vermuten, dass der Stoff, der im Weltall fünfmal häufiger sein soll als gewöhnliche Materie, aus einem oder vielleicht auch mehreren bislang unbekannten Teilchen bestehen müsste. Man nennt sie schlicht WIMPs – kurz für Weakly Interacting Massive Particles, also schwach wechselwirkende, massereiche Teilchen, die nur auf die Schwerkraft und die schwache Wechselwirkung reagieren. Sie würden kein Licht emittieren oder absorbieren, wären also unsichtbar.

Alpha Magnetic Spectrometer
AMS-Detektor | An der Außenhülle der ISS fängt das riesige Alpha Magnetic Spectrometer Teilchen der kosmischen Strahlung auf. Im Inneren des Instruments steckt ein sehr starker Magnet, der die Partikel – je nach Sorte – unterschiedlich stark umlenkt. Dadurch können Wissenschaftler zählen, wie viele Teilchen welcher Sorte den Detektor getroffen haben.

Einer populären Theorie zufolge sollten WIMPs – die sich an vielen Orten im Weltall in dichten Wolken ballen müssten – unter gewissen Umständen miteinander kollidieren und dabei Strahlung sowie »normale« Teilchen erzeugen. Diese Zerfallsprodukte würden sich unter die Teilchen der kosmischen Strahlung mischen, wären allerdings von den übrigen per se nicht unterscheidbar.

Zählt man jedoch alle eintreffenden kosmischen Teilchen, und zwar in Abhängigkeit ihrer Energie, dann könnten sich die zusätzlichen Teilchen aus der WIMP-Zerstrahlung als Überschuss in jenem Teilchenstrom bemerkbar machen, den Detektoren wie AMS vermessen. Im Energiespektrum sollte sich dieses Mehr an Teilchen in Form eines Buckels abzeichnen. Am deutlichsten müsste er bei den seltenen Teilchenarten, also den Antiprotonen und den Positronen, zu Tage treten. Alle anderen Partikel sind so zahlreich, dass ein möglicher Beitrag der WIMPs darin unterginge.

Buckel im Energiespektrum

Tatsächlich ist nach sieben Jahren bei den mit AMS gemessenen Positronen ein solcher Überschuss zu erkennen. Diese Erkenntnis allerdings ist nicht neu: Schon in den 1990er Jahren fanden auf Ballons installierte Teilchendetektoren erste Hinweise darauf, dass ab Energien von rund 50 Gigaelektronvolt (GeV) mehr Positronen auf die Erde einprasseln, als theoretische Modelle vorhersagten. Die Messungen mit AMS haben diesen Befund mittlerweile mit hoher Genauigkeit bestätigt.

Aber ist damit auch der lang ersehnte Nachweis für die Existenz der WIMPs erbracht? Laien, die bei Tings Vortrag am CERN anwesend waren, konnten durchaus diesen Eindruck bekommen: In seiner Präsentation verglich der AMS-Chef die Messdaten mit dem Modell eines Dunkle-Materie-WIMPs mit einer Masse von einem Teraelektronvolt. Augenscheinlich scheint das Modell gut zu den Daten zu passen. Nun brauche man nur noch mehr Daten, um den Deckel zuzumachen, so Ting.

Anderen Wissenschaftlern stieß diese Argumentation allerdings übel auf. So ist das Dunkle-Materie-Modell, das Ting heranzog, nur eines von vielen, wie auf Nachfrage bei einem Mitglied der AMS-Kollaboration zu erfahren war. Und aus Sicht der meisten Forscher handelt es sich noch nicht einmal um ein besonders überzeugendes Modell. Damit es die Realität beschreiben kann, müsste es 300-mal mehr Dunkle Materie geben, als die meisten Astronomen vermuten, oder aber WIMPs müssten viel öfter miteinander wechselwirken als gedacht. Unbeteiligte Experten halten beides für unwahrscheinlich – und haben daher massive Zweifel, ob der AMS-Positronüberschuss von Dunkler Materie stammen kann.

Dunkle Materie? Eher nicht

Einer der Skeptiker ist Gregory Tarlé von der University of Michigan. Tarlé war Mitglied der HEAT-Kollaboration – des Ballonexperiments, das seinerzeit die ersten Hinweise auf den Positronüberschuss gefunden hat. »Die AMS-Daten zeigen überaus deutlich, dass der Positronüberschuss nicht durch die Annihilation von Dunkler Materie entsteht«, sagt er. Es sehe eher so aus, als stammten die zusätzlichen Partikel aus Kollisionen bereits bekannter Teilchen in unserer Galaxie, Experten nennen diesen Entstehungsweg »Sekundärproduktion«.

Für Tarlé ist das Hauptproblem, dass man noch längst nicht verstanden habe, wie häufig und unter welchen Umständen Positronen im Weltall erzeugt werden. »Solange dies der Fall ist, sind alle Behauptungen, man habe Belege für Dunkle Materie gefunden, schlicht nicht gerechtfertigt.« Mehr Daten, wie Ting meint, würden da nicht helfen, sagt Tarlé: »Auch nach zwölf Jahren wird AMS diese Frage nicht beantworten können.«

»Wenn man nicht nachschaut, wird man nie eine Antwort finden«(Samuel Ting, AMS-Kollaboration)

Steve Ahlen von der Boston University vertritt eine ähnliche Position. Er gehörte zu der Gruppe von Wissenschaftlern, die AMS in den 1990er Jahren entworfen haben, ist aber seit 1997 weder beim Bau oder bei der Datenanalyse beteiligt gewesen. Seiner Meinung nach ergibt sich ein Positronenüberschuss allein aus der Sekundärproduktion, wenn die Positronen nach ihrer Bildung nur lange genug in den Magnetfeldern der Milchstraße gefangen bleiben.

Um die »Lebensdauer« der kosmischen Teilchen zu messen, benutzen Physiker langlebige Radioisotope, etwa Beryllium-10. Dies sei bisher aber nur bei relativ niedrigen Teilchenenergien gelungen, so Ahlen: »Eine Bestätigung des Positronenüberschusses bei den hohen AMS-Energien erfordert die Bestimmung der Lebensdauer der Teilchen bei diesen Energien. Ich kenne wenigstens ein Ballonexperiment, dass die Isotopenhäufigkeit von Beryllium-10 bei diesen Energien messen wird.« Bis diese Daten vorlägen, sei es jedoch hinfällig, ernsthaft über Dunkle Materie zu spekulieren.

Geschickter Kniff bei der Präsentation

»Meiner Meinung nach enthält der Positronenüberschuss keinen Beleg für Dunkle Materie«, urteilt auch Alvaro De Rújula vom CERN. Der theoretische Physiker weist auf einen geschickten Kniff in Samuel Tings Vortrag hin. So betonte der Nobelpreisträger in Genf, dass nicht der in den Diagrammen überdeutliche Überschuss der Positronen der Hinweis auf Dunkle Materie sei, sondern der eher subtile, steile Abfall der Teilchenzahl bei einer Energie von etwa 500 GeV: »Das reduziert den Hinweis auf eine statistische Signifikanz von zwei Sigma.«

Was zunächst kontraproduktiv klingt, ist aus De Rújulas Sicht ein schlauer Schachzug, mit dem Ting seinem Ergebnis große Aufmerksamkeit sichert, ohne sich wissenschaftlich zu weit aus dem Fenster zu lehnen. Letztlich behaupte der AMS-Chef nichts, was er später nicht problemlos zurücknehmen könne: »Experimentalphysiker dürfen mit ihrer Interpretation danebenliegen, aber um nicht viel mehr als zwei Sigma.«

Der »Sigma-Wert« gibt an, wie hoch die Wahrscheinlichkeit ist, dass ein Ergebnis auf zufällige Datenausreißer zurückzuführen ist. Ab drei Sigma (0,15 Prozent Wahrscheinlichkeit) spricht man in der Physik üblicherweise von einem Hinweis; erst ab fünf Sigma (0,00003 Prozent) von einer Entdeckung. So gesehen hat der AMS-Chefwissenschaftler in Genf nichts präsentiert, was seine vollmundigen Aussagen in der Vortragsankündigung rechtfertigen würde.

Das gilt wohl auch in Sachen primordialer Antimaterie  – der zweiten großen Frage des Detektors auf der ISS. Im Urknall hätte, wenn die Theorien stimmen, Materie und Antimaterie zu gleichen Teilen entstehen sollen. Unser Kosmos besteht aber augenscheinlich fast ausschließlich aus Materie (abgesehen von den Antimaterieteilchen, die durch die erwähnten Kollisionen von Atomkernen in der Milchstraße entstehen).

Spuren von Antisternen?

Entweder also gab es von Anfang an einen gewissen Überschuss von Materie, oder es gibt im Universum Sterne, Sternsysteme und ganze Galaxien aus Antimaterie. Ersteres ist eine populäre Theorie in der Teilchenphysik, und viele Arbeitsgruppen suchen systematisch nach subatomaren Prozessen, die Materie gegenüber Antimaterie kurz nach dem Urknall bevorzugt haben könnten.

Der zweite Fall wäre ebenfalls spektakulär, lässt sich aber nur schwer überprüfen: Anhand ihres ausgesendeten Lichts wären Antisterne nicht von Materiesternen zu unterscheiden. Explodiert aber zum Beispiel in einer fernen Ecke des Alls ein Antimateriestern als Supernova, würden große Mengen Antimaterie ins All geschleudert. Einzelne Antiatomkerne könnten es dann im Lauf von Millionen oder Milliarden von Jahren bis zu uns schaffen und sich unter die Materieteilchen der kosmischen Strahlung mischen.

Es müsste aus Sicht von Experten aber schon mindestens ein Antiheliumkern sein, um die Existenz von primordialer, aus dem Urknall stammender Antimaterie zu beweisen. Ein Antikohlenstoffatomkern wäre sogar der Beweis für die Existenz ganzer Antisterne – denn solch schwere Elemente werden ausschließlich in Sternen erbrütet.

Antikohlenstoff hat AMS bisher keines gesehen. Antihelium dagegen vielleicht schon, berichtete Ting in Genf: Immerhin zwei Antihelium-4-Kandidaten und ganze sechs Exemplare der leichteren Variante Antihelium-3 habe man dingfest machen können. Freilich sei auch dieses Resultat noch nicht sicher, es könne sich ebenso um fehlidentifizierte Teilchen oder Detektorhintergrund handeln – genau das vermuten Kritiker wie Tarlé. Bis 2024 aber werde man genug Daten gesammelt haben, um Aussagen auf dem Fünf-Sigma-Niveau machen zu können, sagte Ting. Bis auf Weiteres bleibt also auch diese Frage offen.

Ting hat auf mehrere Gesprächsanfragen von »Spektrum.de« nicht reagiert, auch wenn sein Assistent bestätigt, dass sie ihn erreicht haben. In der Vergangenheit begegnete er Kritik an »seinem« Weltraumdetektor mit Zweckoptimismus: »Wenn man nicht nachschaut, wird man nie eine Antwort finden«, sagte er etwa 2010 der »New York Times«. Schon damals zweifelten Kollegen, ob AMS jemals verlässlich Dunkle Materie oder Antimaterie aus dem Urknall wird nachweisen können.

Stefan Schael von RWTH Aachen, der Teil der AMS-Kollaboration ist, verteidigt dagegen das Instrument: »Es ist nicht schwer, zu einem Projekt wie AMS Kritiker zu finden«, schreibt er in einer E-Mail. »Dass es mögliche alternative Erklärungen für den Positronenüberschuss gibt, heißt nicht, dass diese besser oder richtiger sind als Dunkle Materie.« Theorien gebe es viele, und sie entwickelten sich stets weiter. Endgültig Licht ins Dunkel bringen könnten hingegen nur handfeste Daten: »Es gibt derzeit kein Modell, welches in der Lage ist, die AMS-Daten für Elektronen, Positronen und Kerne konsistent zu beschreiben«, argumentiert Schael. Aber es gebe nur ein Experiment, welches diese Daten sammeln kann: AMS.

100 Millionen Dollar für eine Reparatur

Die Frage ist, wie lange der Detektor solche Daten noch sammeln kann. Ting und sein Team hoffen, dass AMS bis zum Jahr 2024 in Betrieb bleibt, dem diskutierten Missionsende der Internationalen Raumstation. Soll AMS bis dahin funktionieren, ist allerdings im Sommer 2019 eine umfangreiche Reparatur des Detektorkühlsystems inklusive Astronauten-Außeneinsatz erforderlich. Von Kosten in der Größenordnung von 100 Millionen US-Dollar ist die Rede.

Die Reparatur ist notwendig, da bereits drei von vier Pumpen des Kühlsystems defekt sind. »Ohne die Pumpen müssen wir einen Großteil des Siliziumtrackers ausschalten«, teilt Schael mit. Ohne dieses Herzstück von AMS, das für die Identifizierung vieler Teilchen zuständig ist, kann das Team laut Schael nicht weiter nach Antihelium oder Antideuterium suchen und auch keine Messungen von besonders energiereichen Positronen durchführen.

Die unterste von vier Kategorien

Die NASA schätze die AMS-Reparatur als schwieriger und aufwändiger ein als die einstmalige Reparatur des Weltraumteleskops Hubble, dessen fehlerhafte Optik drei Jahre nach dem Start mit großem Aufwand korrigiert wurde. »Im April 2019 wird das neue Kühlsystem zur ISS gebracht, im Juni 2019 findet der Außeneinsatz statt«, erklärt Schael.

Doch ist dieser enorme Aufwand überhaupt noch gerechtfertigt? Daran scheinen zumindest die Gutachter des Department of Energy Zweifel zu haben. Sie unterzogen Mitte Mai sämtliche geförderte Hochenergie-Physikexperimente einer Bewertung, AMS landete in der untersten der vier Kategorien. Begründung: Die Qualität der gesammelten Daten überträfen schon jetzt die Genauigkeit der theoretischen Modelle, weitere Daten seien daher weniger wichtig.

Tings Assistent widerspricht dieser Darstellung. Der DoE-Report enthalte sachliche Fehler, die man zu korrigieren versuche. Stefan Schael überzeugt die Kritik in dem Bericht ebenfalls nicht. Dass die Theorie den Daten hinterherhinke, sei kein vernünftiger Grund, AMS nicht weiterzubetreiben: »Bei LHC stellen wir den Betrieb ja auch nicht ein, nur weil wir bisher im Rahmen der theoretischen und experimentelle Unsicherheiten noch keine Physik jenseits des Standardmodells gefunden haben.«

Mehr als 1,5 Milliarden Dollar sind in über 20 Jahren in die Entwicklung und den Betrieb des AMS-Detektors geflossen. Das ist zwar weit weniger der Bau und Betrieb des LHC und allen seinen Detektoren gekostet hat, aber immerhin vergleichbar mit dem Weltraumteleskop Hubble. Dessen wissenschaftlicher Nutzen ist allerdings, anders als der von AMS, über jeden Zweifel erhaben.

Ist es nun, da das Geld ausgegeben ist, nicht vernünftig, das funktionierende Instrument so lange wie möglich weiterzubetreiben? Oder wäre das ein Beispiel für das, was Ökonomen als Sunk-Cost-Fallacy bezeichnen?

Demnach ist es selten eine kluge Idee, bereits versenkte Gelder zur Entscheidungsgrundlage für weitere Investitionen zu machen. Erst recht, wenn fraglich ist, ob die Investition am Ende den großen Durchbruch bringt. Ohne eine spektakuläre Entdeckung, das scheint sicher, wird die Kritik an AMS nicht verstummen.

32/2018

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 32/2018

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