Hat AMS Antimaterie gefunden?

Letzte Woche fand auf La Palma die Fachkonferenz „AMS Days“ statt. AMS, das 1,5-Milliarden-Dollar-„Antimaterie Magnet Spektrometer“, ist ein Teilchendetektor an der Außenstruktur der Internationalen Raumstation. Seit 2011 misst AMS die kosmische Teilchenstrahlung und sucht nach Antimaterie und Hinweisen auf die Dunkle Materie. Was hat AMS nach mittlerweile gut sechs Jahren gefunden? Auf den AMS Days war Gelegenheit, das zu erfahren.

AMS an der Außenstruktur der Internationalen Raumstation. Bild: NASA
AMS an der Außenstruktur der Internationalen Raumstation. Bild: NASA

Antimaterie ist ein komisches Zeug. Eigentlich sollte es im Urknall in gleicher Menge entstanden sein wie die „normale“ Materie, aber dann wären wir nicht mehr da. Materie und Antimaterie vertragen sich nicht. Gäbe es einen Planeten aus Antimaterie, dann würde ein Landeversuch eines Materie-Raumschiff in einer ziemlich großen Explosion enden.

Gibt es im Weltall dennoch Antimaterie? Die Antwort ist: Ja. Anti-Protonen und Anti-Elektronen hat AMS bereits zuhauf registriert (dazu gleich mehr). Aber diese Partikel entstehen auch, wenn normale Materieteilchen miteinander kollidieren. Sie sind noch kein Beweis dafür, dass es heute noch Antimaterie aus dem Urknall gibt. Dazu müsste AMS wenigstens einen Anti-Helium-Atomkern finden. Existierten sogar ganze Anti-Sterne, dann sollte es auch noch schwerere Anti-Atomkerne in der kosmischen Strahlung geben.

Samuel C. C. Ting, AMS-Oberchef und Nobelpreisträger (dessen Ehrung mit einem „Stern“ auf dem „Wissenschafts-Walk-of-Fame“ der Insel vielleicht der Grund für den abgelegenen Tagungsort war) überraschte in seinem Eröffnungsvortrag auch Kollaborationsmitglieder mit der Bemerkung, dass AMS tatsächlich Kandidaten für Anti-Helium gefunden habe – ganze acht inzwischen. Sechs davon sind möglicherweise die leichtere Version “Anti-Helium-3”, zwei jedoch klassifizieren möglicherweise als „ausgewachsenes“ Anti-Helium-4.

Samuel Ting bei seinem Vortrag auf La palma. Bild: IAC/Laurence Barrin
Samuel Ting bei seinem Vortrag auf La Palma. Bild: IAC/Laurence Barrin

Den Nachfragen aus dem Publikum zu urteilen war das längst nicht allen im Raum bekannt. Anti-Helium-3-Kandidaten hatte AMS bereits im Dezember 2016 in einer Pressemeldung bekannt gegeben. Das Auftauchen der beiden möglichen Anti-Helium-4-Events war mir zumindest bis dato unbekannt – und von großer Bedeutung, meinte Ting. Ansonsten wiederholte er, was schon früher dazu zu lesen war: „a detailed understanding of the instrument is required“ und natürlich „more data“. In wissenschaftlichen Zeitschriften veröffentlicht ist diesbezüglich noch nichts, wie man mir sagte.

Das scheint leider ein Charakteristikum von AMS zu sein: Wissenschaftliche Veröffentlichungen, nachprüfbar durch die Konkurrenz, gibt natürlich auch. Aber wenn es spannend wird, bleibt es bei hier und da eingestreuten Bemerkungen. Festlegungen auf Aussagen, die über die reine Darstellung der Messdaten hinausgehen? Fehlanzeige. Das gilt auch für das zweite „heiße Eisen“ im AMS-Wissenschafts-Programm: die Dunkle Materie.

Die will man über den sogenannten Positronen-Überschuss dingfest machen. Positronen sind die Antiteilchen der Elektronen. Sie entstehen, siehe oben, bei Kollisionen anderer Teilchen untereinander. Sie könnten aber auch bei der Zerstrahlung von hypothetischen Dunkle-Materie-Teilchen gebildet werden und sich dann als Überschuss in der kosmischen Strahlung zeigen. Einen solchen Überschuss beobachtet man schon seit den 1990er Jahren. Die AMS-Messung ist also längst nicht die erste, aber immerhin bislang die genauste Messung des Positronenüberschusses:

Der Positronenüberschuss, gemessen von AMS (Stand von 2016). Bild: AMS-Kollaboration
Der Positronenüberschuss, gemessen von AMS (Stand von 2016). Bild: AMS-Kollaboration

Der „Hubbel“ zwischen 100 und 500 Giga-Elektronvolt (einer Energieeinheit) ist der berühmte Positronüberschuss. Ist die Ursache dafür aber der Zerfall eines Dunkle Materie-Teilchens mit einem Tera-Elektronvolt Ruhemasse, wie die Linie im Plot (der, leicht upgedatet, auch letzte Woche gezeigt wurde) suggeriert?

Ziemlich sicher nicht, wie ich auf Nachfrage erfuhr. Für das im Plot dargestellte Modell (das nur eines von sehr vielen ist) brauche man entweder 300 mal mehr Dunkle Materie, als es Galaxien-Rotationskurven nahelegen oder unnatürlich hohe Wirkungsquerschnitte. Auf Deutsch: Andere Beobachtungen schließen praktisch aus, dass der AMS-Positronüberschuss von Dunkler Materie stammt. Warum man dennoch die Messdaten weiter mit einem offenbar unphysikalischen Fit verschönert, erschließt sich mir nicht.

Wird AMS jemals eine definitive Antwort pro oder contra Dunkle Materie liefern? Kritiker des Experiments bezweifeln das schon lange. Wie auf La Palma zu hören war, ist tatsächlich nicht sicher, ob bis zum angepeilten Missionsende der ISS im Jahr 2024 unterschieden werden kann zwischen Dunkler Materie und astrophysikalischer Quellen als Ursache für die Positronen. Da kann man das Instrument dann womöglich so gut verstehen, wie man will.

Um überhaupt bis 2024 zu kommen, ist vielleicht bald eine größere Reparatur notwendig, Astronauteneinsatz inklusive. Lohnt sich der Aufwand? Nach sieben Jahren hat AMS zwar genaue Spektren aller primären Spezies der kosmischen Teilchenstrahlung gemessen. In Sachen Dunkle Materie ist man aber nicht vom Fleck gekommen. Und ob sich die Anti-Helium-Kandidaten nun als echt herausstellen oder nicht – die spannendere Frage zur Zeit ist aus Sicht des Wissenschaftsjournalisten, der ich bin, ob sich die AMS-Kollaboration irgendwann zu einer klaren Aussage hinreißen lassen wird.

“Understanding the spectra of particular species of cosmic rays is good to know, but it’s not as important, quite frankly,” so zitierte ein Science-Artikel vor einem Jahr Michael Salamon, AMS Projektmanager vom US-amerikanischen Energieministerium Department of Energy (DOE). Das DOE wird als „sponsoring organization“ AMS im kommenden Jahr einer Prüfung unterziehen. Überprüfbare Resultate sind dafür sicher hilfreicher als Andeutungen.

Disclaimer: Ich habe meine Diplomarbeit über einen Subdetektor von AMS geschrieben, bin seit 2007 aber nicht mehr für das Experiment tätig.

4 thoughts on “Hat AMS Antimaterie gefunden?

  1. Thomas Schiffer 2018-04-16 / 11:48

    Hallo Jan,
    ein spannendes Thema hast du hier wieder verständlich aufbereitet. Antimaterie und
    Dunkle Materie füllen immer wieder das IE, aber selten mit detaillierten Informationen.
    Mich würde interessieren, welche anderen bzw. alternativen Messverfahren gibt es zurzeit und wie ist deren Ergebnisstand?

    Noch eine persönliche Note: Forschung bedeutet auch Investition. Im Vergleich zu Rüstungskosten und damit verbunden Kriegen aber Peanuts.
    Nur die Öffentlichkeitsarbeit (Vermarktung) der Forschungsprojekte und Einrichtungen bleibt auf der Strecke. Das öffnet leider den Lobbyisten (die das Geld anders verteilen möchten) Tür und Tor.
    Ich kann nur hoffen, dass es hier zu einem Umdenken kommt, damit auch der Steuerzahler hinter den Investitionen steht und der Politik einen anderen Weg weisen kann.
    Gut ist, dass es noch freie Journalisten gibt, die sich der Themen (wenn auch unspektakulär) annehmen und kritisch hinterfragen.
    CS Thomas

    • Jan Hattenbach 2018-04-16 / 14:49

      “Mich würde interessieren, welche anderen bzw. alternativen Messverfahren gibt es zurzeit und wie ist deren Ergebnisstand?”

      Das ist eine Frage, auf die man mit einem Buch antworten könnte. Ich versuche es kurz zu fassen: Besteht die Dunkle Materie tatasächlich, wie momentan allgemein geglaubt, aus neuen Teilchen, gibt es prinzipiell drei Methoden, sie zu finden:

      1) durch den Nachweis von Stößen mit schweren Atomkernen,
      2) durch den Nachweis ihres Zerfalls mit Hilfe ihrer Zerfallsprodukte (das ist, was AMS macht),
      3) durch ihre künstliche Erzeugung in Beschleunigerexperimenten.

      Letzlich braucht man alle drei Verfahren, um sicher zu sein, dass die Dunkle Materie als Teilchen tatsächlich existiert und dass sie die “fehlende” Masse ausmacht, die Astronomen seit Jahrzehnten nachweisen. Alle drei Wege werden gegangen, erfolgreich war bisher keines der vielen Experimente. Auch hier im Blog (bzw. seinem Vorgänger in den Scilogs) war das immer mal Thema, einfach mal nach “Dunkle Materie” in der Suchfunktion fragen.

      Antimaterie ist nochmal ein anderes Thema. Das geht wohl nur durtch Experimente wie AMS. Die Antikerne aus dem Urknall, wenn es sie denn gibt, kommen definitiv nicht bis zum Erdboden.

      VG, Jan

  2. Thomas Schiffer 2018-04-16 / 17:01

    Hallo Jan,
    besten Dank für die ausführliche Antwort! Das Thema wird uns noch einige Zeit
    beschäftigen 🙂
    CS Thomas

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