Die Suche nach Dunkler und Anti-Materie mit AMS

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Eine Computersimulation von AMS, wie es sich auf der ISS häuslich eingerichtet hat. Inklusive Meeresblick.

Disclaimer: Andrés Diplomarbeit befasste sich mit der Inbetriebnahme eines Teils des AMS-Experiments, so dass er einen ganz guten Überblick über das Experiment gewinnen konnte.

Eigentlich wäre es schon am 29.04. abends soweit gewesen: der letzte Start1 des Space Shuttles Endeavour mit Startnummer STS-134 stand an. Wegen technischer Probleme2 wurde der Start auf später verschoben. Der nächste Versuch ist heute. Um 14:56 Uhr unserer Zeit hören wir hoffentlich den Countdown auf »… LIFTOFF!« runterzählen.

Mit an Bord: der »Alpha Magnetic Spectrometer« (AMS). Ein faszinierendes Experiment, das angedockt an die internationale Raumstation ISS das Weltall nach Hinweisen auf Dunkle Materie, schwere Antimaterie und weiteren lustigen Physikdingsies untersuchen soll. Im folgenden Artikel möchten wir versuchen, euch ein bisschen von der Fuckyeah-haftigkeit der zu untersuchenden Sachen mit auf den Weg zu geben. Ein paar technische Hintergründe, wie das ganze realisiert wird, kommt dann die Tage. Wenn unsere Hormonspiegel sich wieder vom Raketenstart erholt haben und unsere Finger nicht mehr so sehr zittern.

AMS sucht, was es finden kann

Aus bisherigen Messungen weiß man, dass die kosmische Strahlung größtenteils (99 %) aus Protonen und Helium-Kernen besteht, alles andere teilt sich das mickrige Rest-Prozentchen. Und an diesem Restprozent ist man interessiert.
In dem Rest stecken nämlich viele Interessante Sachen, die teilweise extrem selten sind. Man braucht also ein sensibles Experiment, das einen möglichst großen Bereich gleichzeitig beobachten sollte. Und natürlich Zeit.
Genau dafür ist AMS-02 ausgelegt. »02« deswegen, weil es schonmal eine Art Generalprobe an Bord eines Space Shuttles gab. Die AMS-Experimente sind stark vereinfacht ein bisschen wie CMS3 in kompakt und mit dem Stromverbrauch einer Kaffeemaschine. Noch weiter vereinfacht ist es eine Kamera, die zwar keine hübschen Farbbilder von Galaxien macht, dafür aber sagen kann, woraus sich die Strahlung zusammensetzt. Extrem genau und für die nächsten 10-15 Jahre an der Raumstation angedockt (je nach dem, wie lange die ISS da oben und die Geldkonten hier unten durchhalten).

AMS ist eine Universalkamera, die dabei helfen soll, ganz viel unterschiedlichen Kram abzubilden, von dem Der Doktor noch nicht auf seiner Reise durch das Universum berichtet hat.
Beispiel gefällig? Man bestimme in der kosmischen Strahlung das Verhältnis von Beryllium-9 zu Beryllium-10 und berechne damit, wie lang das Beryllium bereits unterwegs war4. Beides entsteht nämlich in einem Stern im konstanten Verhältnis, die 10er Version ist aber instabil und zerfällt mit der Zeit. Weniger Beryllium-10 vorhanden, Teilchen länger unterwegs. Magic.

Neben der allgemeinen, universalen Messung, was in welchen Mengen zu uns gelangt, will AMS noch ein paar Special-Features untersuchen. Neben ultrahochenergetischer Gamma-Strahlung und Strangelets — auf die wir erstmal nicht weiter eingehen — gibt es noch zwei Haupt-Augenmerke, die Stoff für Science-Fiction-Geschichten liefern.

Dunkle Materie

Los gehts mit einem Begriff, den der ein oder andere Leser vielleicht schonmal gehört hat, unter dem sich die meisten aber vermutlich nicht viel vorstellen können. Wobei: »Dunkle Materie« beschreibt schon ziemlich gut, womit wir es hier zu tun haben: Einem Klumpen Etwas, das nicht sichtbar ist. Daher dunkel. Tada.
»Also so wie diese schwarzen Löcher, die alles schlucken?« — Nee! Zum einen weiß man bei denen relativ gut, wo sie herkommen5 und zum anderen kann man schwarze Löcher tatsächlich »sehen« (wenn auch nicht optisch).

Warum es Dunkle Materie geben muss

Misst man die Rotationsgeschwindigkeiten der Sterne in der Galaxie NGC-3198 kommt nicht das heraus, was man erwartet (»disk«). Erst das Hinzufügen zusätzlicher Materie in den Randbereichen (»halo«) löst das Problem (»disk« + »halo«).

Das mit der Dunklen Materie ist jedenfalls eine ganz andere Geschichte, die aber nicht weniger mysteriös ist. Denn bisher hat man sie noch nicht abbilden können. Aber aus verschiedenen Gründen weiß man, dass es sie geben muss.

Da ist zum Beispiel das mit den Rotationsgeschwindigkeiten. Hier bei uns im Sonnensystem drehen alle Planeten schön ihre Bahnen, so wie die Herren Kepler6 und Newton7 das festgelegt beschrieben haben. Kann man ausrechnen und wenn man sich nicht verrechnet, landet man auch da, wo man hinwollte.
Komischerweise passt das in größeren Maßstäben nicht mehr so gut: In Galaxien bewegen sich die äußeren Sterne zu schnell, als man anhand der sichtbaren Materie vermutet hätte. Da man massenweise Booster-Raketen und Knick in der Optik ausschließen kann, muss man sich was anderes einfallen lassen. Eine Lösung ist das Hinzufügen von weiterer Materie in die Räume zwischen den Sternen. Oder besser ausgedrückt: zwischen den Sternen ist nicht nur einfach nichts, sondern etwas, das wir nur nicht sehen können.

Große Massen beeinflussen die Lichtausbreitung und verzerren somit Lichtquellen.

Klingt erstmal bescheuert und weit hergeholt, aber andere Phänomene lassen sich ebenfalls dadurch erklären. Gravitationslinsen sind eines von ihnen. Ihr habt sowas vielleicht schonmal im Zusammenhang mit einer Darstellung von schwarzen Löchern gesehen: um ein schweres Objekt herum sind andere Lichtquellen verzerrt (wie in dem Bild rechts). Große Massen ziehen nämlich nicht nur noch mehr Massen an, sondern auch das Licht. Dummerweise hat man auch hier wieder Beispiele gefunden, die nur mit den sichtbaren Sternen und Galaxien nicht erklärt werden können. Nimmt man aber ein bisschen Dunkle Materie ins Boot, stimmen die Vorhersagen wieder mit den Messungen überein.

Tatsächlich haben wir ziemlich viel Dunkle Materie in unserem Universum. Schätzungen gehen davon aus, dass etwa 5 % die normale, sichtbare Materie ausmacht und ganze 23 % auf die Dunkle Materie gehen8.

Und was ist jetzt Dunkle Materie?

Dunkle Materie ist also etwas massives; etwas, das gravitativ wechselwirkt, also der Gravitation unterliegt. So wie der Apfel und die Planeten. Gleichzeitig wechselwirkt sie nicht elektromagnetisch, wir können sie schließlich nicht sehen9.
Ganz schön seltsam.

Wegen dieses untypischen Verhaltens weiß man nicht genau, was Dunkle Materie eigentlich ist. Aber man kann sich mögliche Szenarien ausdenken. Eines davon besagt, dass sie sich aus dem leichtesten, neutralen10 Teilchen der supersymmetrischen Erweiterungen zum Standardmodell (SUSY) zusammensetzt. Was jetzt ein wenig wie Bullshit-Bingo für Elementarteilchenphysiker anhört ist die Folge einer ziemlich komplexen Theorie, die man nicht mal eben in der Mittagspause versteht.

SUSY-Teilchen sehen nicht so aus. Aber der LEGO-Einhorn-Bausatz könnte so aussehen.

Hindert uns natürlich nicht daran, es trotzdem in ein paar Zeilen zu versuchen, um wenigstens ein bisschen mehr als »Hä? Wie? Susi wird erweitert? Die Arme!« zu verstehen. Die Teilchenphysiker arbeiten nämlich mit einer Art LEGO-Katalog für Elementarteilchen: mit 17 Teilchen wird der LEGO-Bausatz »Universum«11 realisiert. Leider hat keines die oben von der dunklen Materie geforderten Eigenschaften, so dass wir gerne eine Erweiterung hätten. Quasi der »LEGO+«-Katalog. Mit der Bedingung, dass die Teilchen aus der Erweiterung auch zu unseren Standardteilchen passen. Wär ja blöd, wenn das Einhorn aus dem +-Katalog nicht auf unsere Standard-Löwenzahnwiese passen würde.

Bisher ist das aber nur eine Theorie. Vor allem ist es eine von vielen Theorien. Aber um die richtige Wahl zu treffen, braucht es Experimente. Und AMS ist eines davon12. Es sucht in der kosmischen Strahlung nach Signalen, die diese Theorie bekräftigen würden13. Wenn das gelingt, ist das zwar noch nicht sicher die einzige und ultimativ richtige Erklärung, aber man hätte immerhin schonmal eine Richtung, in der ein weiteres Experiment genauer gucken kann.
Und wenn man dann irgendwann mal weiß, was Dunkle Materie ist, dann kann man damit bestimmt super Sachen machen. Wie z.B. Ninja-Anzüge, Darkrooms oder ultracoole Sonnenbrillen.

An dieser Stelle passt natürlich das PhD-Comic-Video von letztens wunderbar. Falls ihr es noch nicht gesehen habt, macht eine kurze Pause und lasst euch berieseln. Wir treffen uns dann in ca. 364 Sekunden wieder hier.

Antimaterie

Ein weiteres Ziel von AMS ist die Suche nach Antimaterie. Dieses Fancy-Zeugs, das im CERN in großen Mengen für den Weltvorrat Antimateriebomben hergestellt wird — NICHT!14 Das ist nämlich ungefär genauso realisitisch, wie die Photonentorpedos oder der Warp-Antrieb aus Star Trek. Trotzdem ist Antimaterie ein interessantes Forschungsgebiet. Und dabei gar nicht mal so unnatürlich: In unserer Atmosphäre entstehen ständig Anti-Protonen und Anti-Elektronen — und vernichten sich kurz später wieder.

Von Annihilation, Asymmetrien und Antisternen

Am Anfang war Licht, dann kommt ein Gitter und irgendwann war das Universum mit Galaxien und Affen da.

Der Grund dafür ist, dass Energie und Materie ineinander überführt werden können. Großmeister Einstein fand heraus, dass Blitz gleich Klotz, oder abgekürzt E=m·c². Links Energie, rechts Masse und Lichtgeschwindigkeit. Nimmt man sich genug Energie auf einem Punkt, kann dabei Masse entstehen. Die Materie, die wir kennen, hat aber eine elektrische Ladung15 und weil man in einem geschlossenen System keine Ladungen erzeugen kann, muss die Gesamtladung vorher und nachher gleich sein. Man braucht also Materie und Antimaterie, die genau umgekehrt geladen ist. Soweit klar?
Ungefär das ist auch damals™ beim Urknall passiert: Eine verdammischt große Energiedichte hat dafür gesorgt, dass aus dem Nichts Materie entstehen konnte. Und eigentlich auch genausoviel Antimaterie. Nur: wo ist sie?

Zwar vernichtet sich Antimaterie wieder, wenn sie mit Materie zusammentrifft (man nennt es Annihilation), aber dann wäre ja nichts mehr übrig. Man vermutet daher eine Asymmetrie bei der Produktion. Aus irgendeinem Grund ist etwas mehr Materie als Antimaterie produziert worden, so dass wir heute aus Materie bestehen16.
Trotzdem kann man sich vorstellen, dass es irgendwo da draußen Antimaterie-Ansammlungen gibt. Allerdings würden sich gemischte Gebiete schnell verraten, weil bei der Annihilation charakteristische Strahlung erzeugt wird. Da man die bisher nicht gesehen hat, ist zumindest in unserer Umgebung ausgeschlossen, dass es Antimaterie-Ansammlungen gibt17.
Aber irgendwo ganz weit draußen? Vielleicht eine ganze Anti-Galaxie? Mit Anti-Sternen, Anti-Planeten und Anti-Katzen18? Prinzipiell kein Problem. Weil Antimaterie elektromagnetisch genauso wechselwirkt wie normale Materie, würden wir den Unterschied im Licht nicht sehen. Was wir aber sehen könnten wären Überreste aus alten Sternen.

Genauso wie man in der kosmischen Strahlung Helium, Kohlenstoff und weitere Stoffe messen kann, die ein Stern mal ausgesch… produziert haben muss19, würde ein Anti-Helium bedeuten, dass es irgendwo Anti-Sterne gibt — oder zumindest irgendwann mal gab.

Nach diesen schweren Antimaterie-Teilchen sucht AMS. Auch wenn man nichts findet, so kann man doch die Grenze, bis zu der es ziemlich sicher keine Antimaterie-Klumpen gibt, weiter ausdehnen. Übrigens weiß man bisher, dass auf 300 Millionen Heliumkerne weniger als ein Antihelium-Kern kommt20.

Ein spannendes Kapitel in der Astroteilchenphysik beginnt

Die Ziele, die mit AMS-02 verfolgt werden, sind zwar ein bisschen Abgefahren, aber durchaus nützlich. Es ist wie immer in der Grundlagenforschung: Man weiß vorher noch nicht so richtig, was bei rumkommt. Außer, dass man hinterher mehr weiß als vorher. Bis man soweit ist und tolle Dinge herausgefunden hat wird es vermutlich noch ein bisschen dauern.
Aber der letzte Schritt zum Start der Erkenntnisreise wird heute um 14:56 Uhr mitteleuropäischer Sommerzeit angegangen: Das Space Shuttle Endeavour mit AMS-02 an Bord startet. (Hoffentlich.)

Wir werden es jedenfalls im Live-Stream der NASA verfolgen. Und ein paar der ehemaligen Kollegen ein bisschen beneiden, weil sie am Kennedy Space Center in Florida einen Logenplatz beim Start haben.

Das Space Shuttle Endeavour wartet auf der auf der Abschussrampe, dass endlich mal jemand anfängt rückwärts zu zählen.

  1. Und der vorletzte geplante Space-Shuttle-Start überhaupt! []
  2. Eine Heizung an einer Treibstoffleitung hat nicht funktioniert. Und da momentan alle verfügbaren Heizungen an der Klimarerwärmung arbeiten, musste man erstmal Ersatz organisieren. []
  3. Dieses Experiment am LHC, über das wir hier auch schon berichtet haben. []
  4. Damit will man sogenannte »Propagationsmodelle« erstellen bzw. verfeinern. Also Beschreibungen, wie Materie durch unsere Galaxie wandert. []
  5. Sie entstehen, wenn ein großer Stern stirbt und in seinem Kollaps so klein wird, dass die Rest-Materie extrem stark verdichtet wird. Wie bei einer Schrottpresse der Chuck Norris Waste Corporation. In groß. []
  6. Der hat gesagt, wie zwei Körper zueinander Kreisen, also auch Planeten um eine Sonne. []
  7. Der mit dem Apfel und der Schwerkraft. []
  8. Ihr habt es sicherlich gemerkt: Da fehlt noch ein bisschen bis 100 % und mit Rundungsfehlern ist das schwer erklärbar. Der Rest wird größtenteils von Dunkler Energie beansprucht, die nochmal verrückter ist als Dunkle Materie. Lassen wir hier aber raus. Hat nämlich nichts mit AMS zu tun. []
  9. Elektromagnetismus ist das, was Element zu Molekülen werden lässt. Aber auch das, was dazu führt, dass Photonen aufgenommen und wieder abgesondert werden können. Gemeinhin führt das zu einem Phänomen, was im Humanwortschatz mit »Sehen« bezeichnet wird. []
  10. Keine elektromagnetische Wechselwirkung, ihr erinnert euch… []
  11. Empfohlen für Kinder mit abgeschlossenem Physikstudium. []
  12. Ein paar andere suchen in Bergen oder links vom Urknall. []
  13. Was man sich da im Detail von erwartet kommt dann im Folgeartikel. []
  14. Zwar produziert das CERN tatsächlich Antimaterie und speichert sie, allerdings in verschwindend geringen Mengen. Gerade mal 309 Anti-Wasserstoff-Atome hat man desletzt für etwa 17 Minuten speichern können, also fast nichts. []
  15. Jaja, es gibt noch andere Ladungen, liebe Teilchenphysiker… []
  16. Tatsächlich ist das eine beliebige Wahl. Genausogut könnten wir aus Antimaterie bestehen, aber es Materie nennen. []
  17. Wen der Zahlenwert interessiert: Antimaterie-Ansammlungen müssen mindestens 20 Mpc weit weg sein, ganze Galaxien sogar etwa 1 Gpc. []
  18. Ich rate euch übrigens dringend davon ab, Anti-Katzen zu streicheln. Die sind nicht antistatisch! []
  19. Eine zufällige Produktion von Helium durch vier Protonen, die sich auf ihrer Reise im Nichts treffen, ist quasi ausgeschlossen. Und wird zu schweren Kernen immer ausgeschlossener. []
  20. Das aktuellste Ergebnis stammt von der BESS-Gruppe, die 2009 diesen Wert veröffentlicht hat. []
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9 Antworten auf Die Suche nach Dunkler und Anti-Materie mit AMS

  1. Oliver sagt:
    #1

    Dieser Artikel ist wirklich genau!
    Selbst ein Anfänger wie mich war in der Lage, das Konzept zu verstehen.
    Vielen Dank für die Wissenschaft zugänglich!

  2. D'oh sagt:
    #2

    Warum braucht man 4 Protonen für Helium? Würden nicht zwei reichen?

  3. André sagt:
    #3

    @D’oh: Jain. Helium besteht aus zwei Protonen, das ist soweit richtig. Aber eben auch aus zwei Neutronen. Und da freie Neutronen quasi nicht exisitieren, muss man mit Protonen vorlieb nehmen. So wird aus zwei Protonen z.B. ein Deuterium-Kern, wobei ein Proton in ein Neutron umgewandelt ist. Zwei Deuterium-Kerne ergeben dann einen Helium-Kern.
    Das ist jetzt ziemlich vereinfacht dargestellt, wenn dich der Produktionsprozess interessiert, guck z.B. mal hier.

  4. D'oh sagt:
    #4

    Danke

  5. Dirk sagt:
    #5

    Kepler ist 1630 gestorben und Newton 1643 geboren.
    Da macht der Satz “so wie der Herr Kepler auf der Grundlage vom Herrn Newton” vielleicht nicht so viel Sinn. ;)

  6. André sagt:
    #6

    @Dirk: Oh, das wusste ich nicht. Sinn macht es aber trotzdem. Die Keplerschen Gesetze beruhen auf dem Gravitationsgesetz. Auch wenn Kepler noch nicht wusste, dass es auf der Gravitation beruht.
    Aber ich gebe zu, es ist etwas unglücklich formuliert.

  7. Maxim sagt:
    #7

    Das mit Kepler und Newton ist mir auch gleich aufgefallen. Ich würde den Satz umschreiben, kostet ja nichts ;)

    Es ist so weit. Laut @DLR_next ist AMS “an seinem endgültigen Platz auf der ISS”. :)

  8. SCHWAR_A sagt:
    #8

    “…an seinem endgültigen Platz…”
    Ist das eigentlich auf der erd-abgewandten Seite, mit viel ISS zwischen Erde und AMS?
    Kann das AMS für die Teilchen die Richtung der erkennen, aus der sie kamen?

  9. André sagt:
    #9

    @Maxim: Hab mal geändert. Hatte ich gestern nur keine Lust mehr zu ;)

    @SCHWAR_A: Jain und Ja. Jain weil da glaube ich nicht viel ISS zwischen Erde und AMS ist, aber AMS »guckt« trotzdem weg von der Erde. Nichts desto trotz kann AMS auch die Richtung der Teilchen identifizieren. Die Zeitauflösung der einzelnen Komponenten ist dazu genau genug. Dazu aber mehr in einem Folge-Artikel.

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