Eine Illustration der Teilchenvernichtung, bei der Antimaterie in Form von Antihelium entsteht (Bildnachweis: CERN)
Ein Übermaß an Antimaterie in den Schauern geladener Teilchen, die die Erde bombardieren und als kosmische Strahlung bezeichnet werden, könnte die Geheimnisse der dunklen Materie, des mysteriösesten „Stoffes“ des Universums, enthüllen, so eine neue Studie.
Die dunkle Materie stellt für die Wissenschaftler eine solche Herausforderung dar, weil sie schätzungsweise 85 % der Materie im Kosmos ausmacht, aber praktisch unsichtbar ist, weil sie nicht mit Licht interagiert. Das bedeutet, dass jedes Atom, aus dem ein Stern, ein Planet, ein Mond, ein Asteroid, ein Komet, ein Mensch, ein Buch, eine Kaffeetasse und eine Katze bestehen, im Verhältnis fünf zu eins von dunkler Materie überwogen wird.
Ein Forscherteam unter der Leitung von Pedro De la Torre Luque vom Institut für Theoretische Physik in Madrid stellt die Theorie auf, dass unerklärliche Mengen von Antimaterie, entgegengesetzt geladenen „Spiegelteilchen“ zu Materieteilchen wie Protonen und Elektronen, in der kosmischen Strahlung das Ergebnis der Annihilation von Teilchen der dunklen Materie sein könnten. Die feinen Details dieser Verbindung könnten jedoch den Hauptverdächtigen der dunklen Materie entlarven – WIMPs, ein Kürzel für „weakly interacting massive particles“.
„Wir haben festgestellt, dass die Menge der entdeckten Antinuklei, insbesondere Antihelium [das Antimaterie-Äquivalent der Heliumkerne] , nicht durch bekannte Prozesse im Universum erklärt werden kann“, so De la Torre Luque gegenüber kosmischeweiten.de. „Antiteilchen sind im interstellaren Medium [das Gas und der Staub zwischen den Sternen] nicht häufig anzutreffen, so dass die Entdeckung einer hohen Produktion von Antiteilchen auf Prozesse hinweisen könnte, die über das hinausgehen, was wir kennen.
„Insbesondere wenn die dunkle Materie ein Teilchen ist, wird erwartet, dass sie selten annihiliert und gleiche Mengen von Teilchen und Antiteilchen produziert.“
Die Forschungsergebnisse des Teams könnten eine schlechte Nachricht für die am weitesten verbreiteten Kandidaten für dunkle Materie sein und die Wissenschaftler bei der Suche nach der fehlenden Masse des Universums zurück ans Reißbrett schicken.
Aus dem Weg, WIMPs!
Obwohl sie nach wie vor zu den Hauptverdächtigen gehören, die für die dunkle Materie verantwortlich gemacht werden, sind WIMPs bis heute frustrierend schwer fassbar geblieben.
„WIMPs sind eine allgemeine Familie von Teilchen, die von vielen minimalen Erweiterungen des Standardmodells der Teilchenphysik vorhergesagt werden, dem Modell, das die Teilchen, die wir kennen, und ihre Wechselwirkungen erklärt“, sagte De la Torre Luque. „Sie wurden noch nie beobachtet, aber sie sind wunderbare Kandidaten für dunkle Materie, weil sie neutral sind und im frühen Universum durch ähnliche Mechanismen entstanden sein könnten wie die bekannten Teilchen.“
Die schwache Wechselwirkung der WIMPs mit den übrigen Teilchen des Standardmodells bedeutet, dass sie sich jeglichem Nachweis durch unsere derzeitigen Experimente entzogen haben könnten. Wenn sie die dunkle Materie bilden, wurde sie deshalb noch nicht direkt nachgewiesen. WIMPs würden durch die Gravitation wechselwirken, genau wie die dunkle Materie. Dies ist von entscheidender Bedeutung, denn es ist die Gravitationswechselwirkung der dunklen Materie, die es den Wissenschaftlern ermöglicht hat, auf deren Existenz zu schließen. WIMPS und dunkle Materie passen also auch in dieser Hinsicht gut zusammen.
Der Kugelsternhaufen, in dem die schwach wechselwirkende dunkle Materie (blau) die gewöhnliche Materie (rosa) durchdrungen hat, wie eine Kugel, die durch einen Apfel fliegt. (Bildnachweis: X-ray: NASA/ CXC/ CfA/ M.Markevitch, Optische Karte und Lensing-Karte: NASA/STScI, Magellan/ U.Arizona/ D.Clowe, Linsenkarte: ESO/WFI)
Eine offene Frage in Bezug auf die dunkle Materie ist, ob die Teilchen, aus denen sie besteht, sich gegenseitig annihilieren. Annihilation bedeutet, dass ein Materieteilchen auf sein Antimaterie-Gegenstück trifft und sie sich gegenseitig zerstören. Wenn zum Beispiel ein Elektron auf sein Antiteilchen, ein Positron, trifft, vernichten sich die beiden, und die Energie, aus der sie bestehen, wird wieder in den Kosmos abgegeben. Es wurde vorgeschlagen, dass sich die dunkle Materie in den seltenen Fällen, in denen sie selbst interagiert, „selbst annihiliert“.
„Es wird erwartet, dass WIMPs annihilieren und dabei Paare von Teilchen und Antiteilchen in gleichen Mengen erzeugen“, so De la Torre Luque. „Während wir davon ausgehen, dass im interstellaren Medium durch die uns bekannten Prozesse nur sehr geringe Mengen an Antiteilchen entstehen, können wir, da wir wissen, dass dunkle Materie unser gesamtes Universum durchdringt und WIMPs die besten Kandidaten sind, die wir für dunkle Materie haben, davon ausgehen, dass durch diese WIMPs große Mengen an Antiteilchen in der Galaxie entstehen.“
Ein Diagramm zeigt den Anteil der dunklen Materie an der „normalen“ Materie, aus der Sterne, Planeten und Katzen bestehen (Bildnachweis: Robert Lea (erstellt mit Canva))
Das Team untersuchte die Antiteilchen von Helium und Antihelium in der kosmischen Strahlung, um nach der Signatur der WIMP-Annihilation zu suchen. Wie „normale“ Heliumatome kann auch Antihelium drei oder vier Neutronen haben. Das bedeutet, dass es in zwei Isotopen vorkommt: Antihelium-3 und Antihelium-4.
Das Experiment Alpha Magnetic Spectrometer (AMS) 02 an Bord der Internationalen Raumstation (ISS) hat vor kurzem sehr ähnliche Mengen von Antihelium-3 und Antihelium-4 in der kosmischen Strahlung gefunden. Kosmische Strahlung kann selbst Antiteilchen erzeugen, wenn sie auf das interstellare Medium trifft und dieses durchquert. Die in der kosmischen Strahlung nachgewiesenen Mengen an Antihelium sind jedoch viel höher als die Mengen, die durch Schätzungen der Antinuklei-Produktion allein aus kosmischen Strahlungsteilchen vorhergesagt werden.
Die Internationale Raumstation, auf der sich das AMS02-Experiment befindet, bei dem ein Überschuss an Antimaterie in der kosmischen Strahlung festgestellt wurde.(Bildnachweis: Bleecker Street)
Das Team untersuchte, ob der WIMP-Kandidat für dunkle Materie dieses Überangebot an Antimaterie erklären kann. Sie fanden heraus, dass die WIMP-Annihilation den Überschuss an Antihelium-3 erklären kann, nicht aber die gemessenen Mengen an Antihelium-4.
„Während unsere Vorhersagen zeigen, dass wir bei optimistischen Berechnungen die Beobachtungen von Antihelium-3 mit WIMPs als dunkler Materie erklären können, erwarten wir, dass WIMPs eine viel geringere Menge von Antihelium-4 produzieren müssen. Und zwar um einen Faktor 1.000 weniger, weil es schwerer ist als Antihelium-3“, so De la Torre Luque. „Wir haben festgestellt, dass WIMPs diese Beobachtungen nicht einfach erklären können, und um dieses Rätsel zu lösen, bräuchten wir noch exotischere Modelle der dunklen Materie.“
Auch wenn dies auf den ersten Blick wie eine schlechte Nachricht erscheinen mag, hat die Sichtweise der WIMPs als „Wunderteilchen“, die alle Anforderungen an die dunkle Materie erfüllen, dazu geführt, dass viele andere Teilchenmodelle effektiv aufgegeben wurden.
Einige dieser WIMP-Alternativen könnten nun wieder auf den Tisch kommen, ebenso wie Erklärungen, die nicht aus Teilchen bestehen, wie z. B. die Idee, dass die dunkle Materie aus subatomgroßen „primordialen schwarzen Löchern“ bestehen könnte, die während des Urknalls entstanden sind.
„Wenn diese Produktion von Antinuklei das Ergebnis eines unbekannten Teilchens in der Galaxie ist, sollte dieses Teilchen sehr spezifische Eigenschaften haben, um Antihelium zu produzieren“, schloss De la Torre Luque. „Wenn wir feststellen, dass dieses Teilchen alle aktuellen Beobachtungen für dunkle Materie erklären kann und dass es allen aktuellen Untersuchungen nach neuen Teilchen an Teilchenbeschleunigern entgangen sein könnte, wäre dies ein großartiger Kandidat für dunkle Materie, und der Nachweis von Antihelium könnte unsere einzige Möglichkeit sein, es zu untersuchen.“
Die Forschungsergebnisse des Teams wurden am 4. Oktober im Journal of Cosmology and Astroparticle Physics veröffentlicht.
