Dunkle Materie im Orbit gemessen?

Vor wenigen Tagen wurden die ersten Messergebnisse des Alpha Magnetic Spectrometer (AMS) veröffentlicht. Das ist ein Experiment, das an Bord der Internationalen Raumstation (ISS) seit über einem Jahr die kosmische Höhenstrahlung misst.
Der Anstieg von Positronen in einem bestimmten Energiebereich könnte die erste direkte Messung Dunkler Materie sein.


Die Materie, die wir sehen können, macht 4,9% des gesamten Universums aus. 26,8% sind sog. Dunkle Materie und 68,3% Dunkle Energie. (Das hat das Planck-Teleskop vor kurzem äußerst genau ermittelt!)
Dass es mehr Materie im Universum geben müsste als man sehen kann, wird aufgrund der Rotationsgeschwindigkeit von Galaxien vermutet. Denn Sterne am Rande einer Galaxie dürften sich nicht so schnell bewegen wie Sterne nahe am Zentrum. Sonst würden sie einfach aus der Galaxie hinausgeschleudert. Aufgrund des Geschwindigkeitsgefälles vom Zentrum zum Rand müsste es also mit der Zeit zu Verzerrungen der Galaxie kommen. Newton wäre glücklich. Allerdings ist die Verzerrung der Galaxien nicht so stark wie man es erwarten würde. Eine Möglichkeit zur Erklärung dieses Problems ist das Konzept der Dunklen Materie. Es lässt sich relativ kurz beschreiben, da man nicht wirklich viel darüber weiß: Dunkle Materie wirkt sich gravitativ auf andere Objekte aus, interagiert mit normaler Materie allerdings so wenig (oder gar nicht), dass wir sie bislang nicht messen und sehen konnten. Um die fehlende gravitative Anziehung zu erklären, postuliert man also zusätzliche Materie im Universum, die allerdings kein Licht (oder etwas ähnliches Messbares) emittiert.

Anmerkung: Kurz nachdem ich meinen Artikel veröffentlicht habe, kam dieser auf astrobites.org heraus, der das Problem der Dunklen Materie sehr schön erklärt.

Nun gibt es allerdings das Konzept der Supersymmetrie, welches folgendes vorhersagt: Wenn zwei Teilchen Dunkler Materie aufeinandertreffen und sich gegenseitig auslöschen, können Positronen erzeugt werden. Positronen sind die Antiteilchen des Elektrons, haben also gleiche Masse usw. wie das Elektron, jedoch die umgekehrte Ladung (also die Ladung +e).

AMS hat einen erhöhten Anteil von Positronen im Energiebereich von 10 bis 250 GeV (Gigaelektronenvolt; also 1,6*10^-9 bis 4*10^-8 Joule) gemessen, der über die Zeit konstant und von der Raumrichtung unabhängig zu sein scheint. Die experimentell gemessenen Daten stimmen sehr schön mit den Vorhersagen der Theorie überein. Diese Messungen könnten also der erste direkt gemessene Beweis Dunkler Materie sein!

Alpha Magnetic Spectrometer-2 (AMS) in der oberen Bildmitte¹

Allerdings weiß man noch nicht, ob dieser erhöhte Positronenanteil auch einen anderen Ursprung haben kann. Er könnte z. B. von Pulsaren stammen, die ja recht fleißig abstrahlen. Die Supersymmetrie würde außerdem irgendwann ein plötzliches Abfallen dieses Antimaterie-Anteils vorhersagen, wodurch man die größtmögliche Masse von den Teilchen Dunkler Materie ableiten könnte. Dieses Abfallen wurde noch nicht beobachtet (vielleicht passiert es in höherenergetischen Bereichen).

AMS wird weiterhin Daten sammeln und uns aufgrund seiner enorm hohen Messgenauigkeit bald Aufschlüsse über den Ursprung der beobachteten Positronen geben.

AMS is the first experiment to measure to 1% accuracy in space. It is this level of precision that will allow us to tell whether our current positron observation has a Dark Matter or pulsar origin.", 
Professor Samuel Ting (AMS spokesperson, CERN)

Weitere Infos:

• Dark matter detected in orbit? Not so fast, scientists say - Artikel, Los Angeles Times
• AMS measures antimatter excess in space - Artikel, CERN press office
• Kommentar von Brian Greene auf Facebook

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¹ By NASA [Public domain], via Wikimedia Commons