Experimente am Teilchenbeschleuniger des CERN deuten darauf hin, dass Antiteilchen, die aus dunkler Materie tief im Weltraum entstehen, die Erde erreichen können.

Antimaterie, die sich weit entfernt bildet, sollte schwer zu finden sein. Es verschwindet, sobald es auf gewöhnliche Materie trifft, und je mehr Raum es durchdringt, desto wahrscheinlicher ist es, dass es das tut. Aber ein Experiment in einem Teilchenbeschleuniger deutet nun darauf hin, dass einige Antimaterie-Partikel unsere Galaxie immer noch passieren können, ohne zerstört zu werden.

Im Weltraum könnten Antimaterie-Versionen von Helium-Atomkernen – Antihelium – entstehen, wenn kosmische Strahlung mit frei schwebenden Atomen kollidiert. Einigen Theorien zufolge entstehen diese Kerne auch bei Kollisionen von Teilchen der Dunklen Materie (schwarze Materie ist die mysteriöse Substanz, die einen Großteil des Universums ausmacht). Wenn diese Antimaterie nachgewiesen werden kann, könnte sie die Eigenschaften dunkler Materie enthüllen.

Partikelbeschleuniger

Teilchenphysiker Stefan Königstorfer von der Technischen Universität München in Deutschland wollte sehen, ob die so erzeugten Antimateriekerne in erdnahen Detektoren landen könnten. Er arbeitete mit Kollegen aus Teilchenbeschleuniger am CERN.

Zunächst haben Physiker gemessen, wie viele Antiheliumkerne zerstört werden, wenn sie in einem Teilchenbeschleuniger mit gewöhnlicher Materie kollidieren. Unter Verwendung des ALICE-Detektors (das für A Large Ion Collider Experiment steht) analysierten sie die Kollisionen von sehr hochenergetischen Protonen und geladenen Atomen, was sowohl zu Helium- als auch zu Anti-Helium-Kernen führte. Beide müssen in gleicher Anzahl erscheinen. Die Forscher zählten die Anzahl der Kerne, die gemessen werden konnten. Sie konnten daraus ableiten, wie viele Antimateriekerne in Stahl, Kohlenstoff und anderen Materialien verschwunden waren, aus denen der ALICE-Detektor besteht.

Diese „Verschwindenwahrscheinlichkeit“ wurde dann in einer Computersimulation der Reise von Antimaterie zur Erde aus dem Weltraum verwendet, beispielsweise aus dem Weltraum Zentrum unserer Galaxie. Simulationen von aus dunkler Materie gebildeten Antimateriekernen haben gezeigt, dass etwa die Hälfte dieser Teilchen die Erde unbeschadet erreichen würde, selbst wenn sie Billionen von Kilometern zurückgelegt haben.

kosmische Strahlung

Die Forscher simulierten auch die Bildung von Antimateriekernen durch kosmische Strahlung. Es wird angenommen, dass es an weniger Orten im Universum vorkommt. Es wird auch angenommen, dass diese Strahlung im Allgemeinen eine höhere Energie hat als dunkle Materie, und dies gilt auch für die Energie der entstehenden Antimateriekerne. Die Forscher fanden heraus, dass nur die energiereichsten Antimateriekerne die Erde in großer Zahl erreichen würden.

Zeigt, dass alle niederenergetischen Anti-Helium-Kerne, die wir auf der Erde entdecken, wahrscheinlich aus Dunkler Materie stammen, sagt Astroteilchenphysiker Jonas Tymsland von der Norwegischen Universität für Wissenschaft und Technologie in Trondheim. „Dieses Experiment deutet darauf hin, dass wir, wenn ein astrophysikalisches Objekt aus irgendeinem Grund Antihelium produziert, es in der Nähe der Erde mit Standarddetektoren nachweisen können. Und das Signal-Rausch-Verhältnis wird für Dunkle Materie sehr hoch sein“, erklärt ein Forscher für Dunkle Materie Tim Linde von der Universität Stockholm in Schweden.

Teil des Puzzles

Zu verstehen, wie Antimateriekerne mit gewöhnlicher Materie im Universum interagieren, ist ein Teil des Puzzles. Der Teilchenbeschleuniger des CERN könnte auch ihre Entstehung untersuchen, sagt der Astroteilchenphysiker Stefan Profumo von der University of California in Santa Cruz. Er sagt, ein besseres Verständnis könnte Forschern helfen, Theorien über dunkle Materie zu verfeinern.

Königstorfer und seine Kollegen planen nun solche Experimente. Das auf der Internationalen Raumstation montierte Experiment Alpha Magnetic Spectrometer (AMS) soll bereits Antimaterie-Teilchen nachweisen können. Ein weiterer geeigneter Detektor, das General Antiparticle Spectrometer, das auf einem Ballon über dem Südpol schwebt, soll bald mitfliegen.