Spuren von Antimaterie in der kosmischen Strahlung eröffnen erneut die Suche nach „WIMPs“ als Dunkle Materie

Eine der großen Herausforderungen der modernen Kosmologie besteht darin, die Natur der Dunklen Materie aufzudecken. Wir wissen, dass es existiert (es macht mehr als 85 % der Materie im Universum aus), aber wir haben es nie direkt gesehen und wissen immer noch nicht, was es ist.

Eine im veröffentlichten Studie Zeitschrift für Kosmologie und Astroteilchenphysik hat Spuren von Antimaterie im Kosmos untersucht, die eine neue Klasse noch nie zuvor beobachteter Teilchen, sogenannte WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles), aufdecken könnten, aus denen Dunkle Materie bestehen könnte.

Die Studie legt nahe, dass einige neuere Beobachtungen von „Antikernen“ in der kosmischen Strahlung mit der Existenz von WIMPs übereinstimmen, aber auch, dass diese Teilchen möglicherweise noch seltsamer sind als bisher angenommen.

„WIMPs sind Teilchen, die zwar theoretisiert, aber nie beobachtet wurden, und sie könnten der ideale Kandidat für Dunkle Materie sein“, erklärt Pedro De la Torre Luque, Physiker am Institut für theoretische Physik in Madrid.

Vor einigen Jahren bejubelte die wissenschaftliche Gemeinschaft ein „Wunder“. WIMPs schienen alle Anforderungen an Dunkle Materie zu erfüllen, und man ging davon aus, dass wir innerhalb weniger Jahre die ersten direkten Beweise für ihre Existenz haben würden, sobald man sich „vorgestellt“ hatte, was sie sein könnten und wie sie entdeckt werden könnten.

Im Gegenteil, die Forschung der letzten Jahre hat dazu geführt, dass ganze Klassen dieser Partikel aufgrund ihrer besonderen Emissionen ausgeschlossen wurden. Obwohl ihre Existenz heute nicht völlig ausgeschlossen ist, ist die Palette möglicher WIMP-Typen erheblich kleiner geworden, ebenso wie die Methoden, mit denen versucht wird, sie zu erkennen.

„Von den zahlreichen am besten motivierten vorgeschlagenen Modellen wurden die meisten heute ausgeschlossen und nur wenige überleben heute“, sagt De la Torre Luque.

Eine aktuelle Entdeckung scheint den Fall jedoch neu aufgerollt zu haben. „Dies sind einige Beobachtungen aus dem AMS-02-Experiment“, erklärt De la Torre Luque. AMS-02 (Alpha Magnetic Spectrometer) ist ein wissenschaftliches Experiment an Bord der Internationalen Raumstation, das die kosmische Strahlung untersucht. „Die Projektleiter enthüllten, dass sie Spuren von Antikernen in der kosmischen Strahlung entdeckten, insbesondere Antihelium, was niemand erwartet hatte.“

Um zu verstehen, warum diese Antikerne für WIMPs und Dunkle Materie wichtig sind, muss man zunächst verstehen, was Antimaterie ist.

Antimaterie ist eine Materieform mit einer elektrischen Ladung, die der „normalen“ Materieteilchen entgegengesetzt ist. Gewöhnliche Materie besteht aus Teilchen mit negativer elektrischer Ladung, wie Elektronen, positiver Ladung (Protonen) oder neutraler Ladung.

Antimaterie besteht aus „Spiegel“-Teilchen mit entgegengesetzter Ladung (einem „positiven“ Elektron, dem Positron, einem „negativen“ Proton usw.). Wenn Materie und Antimaterie aufeinandertreffen, vernichten sie sich gegenseitig und geben dabei starke Gammastrahlung ab.

Im Universum, das überwiegend aus normaler Materie besteht, gibt es eine kleine Menge Antimaterie, die manchmal näher ist, als man denken könnte, wenn man bedenkt, dass Positronen als Kontrastmittel für die PET verwendet werden, die medizinische Bildgebungsuntersuchung, der sich einige von Ihnen vielleicht unterzogen haben.

Wissenschaftler gehen davon aus, dass ein Teil dieser Antimaterie während des Urknalls entstanden ist, aber durch bestimmte Ereignisse entsteht ständig mehr, was ihre Beobachtung sehr bedeutsam macht. „Wenn man die Produktion von Antiteilchen im interstellaren Medium sieht, wo man sehr wenig erwartet, bedeutet das, dass etwas Ungewöhnliches passiert“, erklärt De la Torre Luque. „Deshalb war die Beobachtung von Antihelium so spannend.“

Was die von AMS-02 beobachteten Antiheliumkerne produziert, könnte tatsächlich WIMPs sein. Der Theorie zufolge vernichten sich zwei WIMP-Teilchen, wenn sie aufeinander treffen, in manchen Fällen, das heißt, sie zerstören sich gegenseitig, geben dabei Energie ab und produzieren sowohl Materie- als auch Antimaterieteilchen.

De la Torre Luque und seine Kollegen haben einige der WIMP-Modelle getestet, um zu sehen, ob sie mit den Beobachtungen kompatibel sind.

Die Studie bestätigte, dass einige Beobachtungen von Antihelium schwer mit bekannten astrophysikalischen Phänomenen zu erklären sind.

„Theoretische Vorhersagen deuten darauf hin, dass die Menge an Antikernen, insbesondere Antihelium, extrem gering sein sollte, obwohl kosmische Strahlung durch Wechselwirkungen mit Gas im interstellaren Medium Antiteilchen erzeugen kann“, erklärt De la Torre Luque.

„Wir erwarteten, alle paar zehn Jahre ein Antihelium-Ereignis zu entdecken, aber die etwa zehn von AMS-02 beobachteten Antihelium-Ereignisse liegen um viele Größenordnungen über den Vorhersagen, die auf Standardwechselwirkungen mit kosmischer Strahlung basieren. Deshalb sind diese Antikerne ein plausibler Hinweis.“ zur WIMP-Vernichtung.“

Aber es könnte noch mehr sein. Die von AMS-02 beobachteten Antiheliumkerne bestehen aus zwei unterschiedlichen Isotopen (dem gleichen Element, aber mit einer unterschiedlichen Anzahl von Neutronen im Kern), Antihelium-3 und Antihelium-4. Insbesondere Antihelium-4 ist viel schwerer und auch viel seltener.

Wir wissen, dass die Produktion schwererer Kerne mit zunehmender Masse immer unwahrscheinlicher wird, insbesondere durch natürliche Prozesse mit kosmischer Strahlung, weshalb es ein Warnsignal ist, so viele von ihnen zu sehen.

„Selbst in den optimistischsten Modellen könnten WIMPs nur die Menge an nachgewiesenem Antihelium-3 erklären, nicht aber Antihelium-4“, fährt De la Torre Luque fort, und dazu müsste man sich ein Teilchen (oder eine Klasse von Teilchen) vorstellen, das noch seltsamer ist als das Bisher vorgeschlagene WIMPs, oder im Fachjargon ausgedrückt, noch „exotischer“.

Die Studie von De la Torre Luque und seinen Kollegen zeigt also, dass der Weg zu WIMPs noch nicht geschlossen ist. Jetzt sind viele genauere Beobachtungen erforderlich, und wir müssen möglicherweise das theoretische Modell erweitern oder anpassen und möglicherweise einen neuen dunklen Sektor mit neuen „exotischen“ Elementen in das Standardmodell bisher bekannter Teilchen einführen.