Kosmische Strahlung aus noch unbekannter Quelle

Ergebnisse von AMS

Seit dem 19. Mai 2011 ist das Alpha Magnetic Spektrometer (AMS) auf der Internationalen Raumstation ISS in Betrieb. Das Hightech-Messgerät funkt seither ständig Messdaten über die kosmische Strahlung zur Erde. Nach knapp zwei Jahren macht das Experiment mit spektakulären Ergebnissen auf sich aufmerksam.

Das Alpha Magnetic Spectrometer (AMS) wurde im Mai 2011 auf der Internationalen Raumstation installiert und liefert seither ständig Daten über kosmische Strahlung.
Image: DPNC

Wer kosmische Strahlung messen will, die noch nicht mit der Erdatmosphäre wechselgewirkt hat und gewissermassen noch unverfälscht ist, der muss seine Messstation draussen im All erreichten. Genau das haben Physikerinnen und Physiker mit dem AMS-Experiment getan: Sie haben auf der Erde ein Messgerät für die kosmische Strahlung gebaut und dieses dann im Mai 2011 mit der Raumfähre 'Endeavour' zur 400 Kilometer entfernten Internationalen Raumstation ISS bringen lassen. Dort nahm das ausgeklügelte Messgerät am 19. Mai 2011, also vor knapp zwei Jahren, seinen Betrieb auf. Seither sendet das AMS ständig neue Messdaten ins Kontrollzentrum, das im Europäischen Labor für Teilchenphysik (CERN) in Genf untergebracht ist.

Neue Teilchenquelle entdeckt

Vor kurzem haben die AMS-Forscher die ersten Ergebnisse des Experiments veröffentlicht1). Prof. Martin Pohl, Teilchenphysiker an der Universität Genf und führender Schweizer Vertreter in der AMS-Kollaboration, bringt das aufsehenerregende Ergebnis auf den Punkt: „Mit den Messungen des AMS sind wir einer neuen Teilchenquelle auf der Spur. Von dort dringen Positronen, also Antimaterie, und Elektronen zu uns. Bisher ist noch unklar, was die Quelle der Teilchen ist.“

Der AMS-Detektor hat in den letzten 22 Monaten 6,8 Millionen Elektronen und Positronen (Antiteilchen der Elektronen) mit Energien von 0,5 bis 350 GeV (Gigaelektronenvolt) aufgespürt. Für die Physiker von besonderem Interesse ist die Frage, welchen Anteil die Positronen an diesem Teilchenstrom haben. Die durchgeführten Messungen zeigen nun, dass dieser Anteil zwischen ca. fünf bis 15 Prozent liegt, und zwar abhängig von der Energie der Teilchen.

Dunkle Materie oder Pulsare

Das Spektakuläre dabei: Die Beobachtung widerspricht den Erwartungen. Denn eigentlich würden die bekannten Gesetzmässigkeiten der Astrophysik erwarten lassen, dass der Anteil der Positronen mit wachsender Energie stetig abnimmt. Das ist aber nicht der Fall, im Gegenteil: Der Anteil dieser Antiteilchen am Teilchenstrom nimmt ab einer Energie von 10 GeV zu. Dies ist zwar nicht grundsätzlich neu, aber durch AMS mit zehnfacher Genauigkeit und einem Faktor 4 höherer Energie genauestens vermessen. Für die Physiker des AMS-Experiments ein aufregender Befund: Sie schliessen aus ihrer Beobachtung, dass es eine gemeinsame Quelle von Positronen und von Elektronen hoher Energie geben muss, die in den bisherigen Erklärungsmodellen noch nicht berücksichtigt ist. Die Positronen und Elektronen aus der noch unbekannten Quelle scheinen eine charakteristische Energie von einigen Hundert GeV zu haben.

Noch ist offen, ob die zusätzlich identifizierten Teilchen aus Kollisionen von Dunkler Materie hervorgehen, oder ob sie von Pulsaren (Neutronensterne mit pulsierender Strahlung) in unserer Galaxie stammen. „Wir sind zuversichtlich, diese Frage mit dem AMS-Experiment bald beantworten zu können“, glaubt Pohl. Dafür sind aber noch zusätzliche Messdaten erforderlich. Diese zu liefern, bleibt dem AMS noch genügend Zeit. Das Spektrometer soll nämlich über die gesamte Lebenszeit der ISS betreiben werden, also insgesamt rund 20 Jahre.

Komplex und robust

Der Inbetriebnahme des Alpha Magnetic Spektrometers im Mai 2011 war eine 18jährgie Vorbereitungszeit vorausgegangen. Wissenschaftler, Ingenieure, Techniker und Studenten aus 16 Ländern Europas, Asiens und Nordamerikas trugen zum Aufbau des Experiments bei. Dieses verfügt nicht nur über eine ausserordentliche technische Komplexität. Gefordert war auch eine robuste Bauweise, denn die Messapparatur muss extreme Temperaturschwankungen aushalten.

Das AMS-Experiment verfolgt eine dreifache Zielsetzung: Erstens werden mit dem Spektrometer sämtliche kosmischen Teilchen bestimmt und ihre Energie und Ladung gemessen; daraus ergibt sich ein vollständiger Katalog der kosmischen Strahlung. Zweitens wird mit dem AMS nach Antimaterie gesucht, insbesondere nach schwerer Antimaterie, also nach Anti-Helium oder Anti-Kohlenstoff. Drittens wollen die Forscher mit dem Experiment bisher unbekannten Quellen kosmischer Strahlung auf die Spur kommen. Hier lassen die oben ausgeführten Messergebnisse erste Schlüsse zu.

Wichtige Schweizer Beiträge

Von Schweizer Seite sind die Universität Genf (Département de physique nucléaire et corpuscule der Universität Genf; Direktor: Prof. Martin Pohl) und die ETH Zürich (Prof. Felicitas Pauss) am AMS-Experiment beteiligt. An der Universität Genf wurden die Sensoren montiert, die die Teilchenbahnen messen. Die Sensoren waren grösstenteils vom Centre Suisse d'Electronique et de Microtechnique (CSEM) in Neuenburg hergestellt worden.

Die ETH Zürich hat für das AMS einen supraleitenden Magneten mit entwickelt. Dieser war allerdings nur für eine Betriebsdauer von drei Jahren ausgelegt, da man davon ausging, dass die NASA die ISS nur bis 2015 betreiben würde. Also die NASA entschied, die Raumstation doch noch 20 Jahre lang zu betreiben, musste das AMS-Experiment kurzfristig umgebaut werden. Dabei wurde der supraleitende Magnet durch einen Permanentmagneten ersetzt, der über die erforderliche Lebensdauer verfügt.

1) Veröffentlichung Anfang April 2013 in der Fachzeitschrift Physical Review Letters: AMS Collaboration, M. Aguilar et al., First Result from the Alpha Magnetic Spectrometer on the International Space Station: Precision Measurement of the Positron Fraction in Primary Cosmic Rays of 0.5–350 GeV, Phys. Rev. Lett. 110, 141102 (2013).

Benedikt Vogel (veröffentlicht: 8. Mai 2013)

  • Das Alpha Magnetic Spectrometer (AMS) wurde im Mai 2011 auf der Internationalen Raumstation installiert und liefert seither ständig Daten über kosmische Strahlung.
  • Ab einer Energie von 10 GeV nimmt der Anteil von Positronen im Positronen-Elektronen-Teilchenstrom zu – ein Indiz auf eine bisher unbekannte Teilchenquelle.
  • Das Alpha Magnetic Spectrometer (AMS) wurde im Mai 2011 auf der Internationalen Raumstation installiert und liefert seither ständig Daten über kosmische Strahlung.Image: DPNC1/2
  • Ab einer Energie von 10 GeV nimmt der Anteil von Positronen im Positronen-Elektronen-Teilchenstrom zu – ein Indiz auf eine bisher unbekannte Teilchenquelle.Image: DPNC2/2

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