Kosmische Positronen bleiben rätselhaft

Im hochenergetischen Bereich von 10 bis 250 Gigaelektronenvolt erreichen erheblich mehr Positronen – positiv geladene Antiteilchen der Elektronen – aus dem Weltall die Erde als erwartet. Das bestätigen Messungen des Alpha Magnetic Spectrometer (AMS), eines großen Teilchendetektors, den Astronauten im Mai 2011 an der Internationalen Weltraumstation ISS installierten. Die Daten der ersten anderthalb Betriebsjahre des Instruments zeigen, dass der Positronenüberschuss zeitlich nicht variiert und in allen Richtungen gleich stark ist. Das berichtet das AMS-Team im Fachblatt „Physical Review Letters“.

„Zusammen deuten diese Eigenschaften auf die Existenz eines neuen physikalischen Phänomens“, schreiben Manuel Aguilar vom europäischen Forschungszentrum CERN und seine Kollegen. Laut einer offiziellen Mitteilung des CERN seien diese Ergebnisse in Übereinstimmung damit, dass die Positronen ihren Ursprung in der Paarvernichtung von Teilchen der Dunklen Materie im Weltall haben. Allerdings gilt die Einschränkung: „Noch reichen die Daten nicht aus, andere Erklärungen auszuschließen.“

Der rund zwei Milliarden US-Dollar teure, 6,9 Tonnen schwere Detektor ist das wichtigste wissenschaftliche Experiment an Bord der ISS. Das Gerät wurde im Mai 2011 mit dem Space Shuttle Endeavour zur Raumstation befördert und dort von Astronauten auf der erdabgewandten Seite installiert. Das AMS kann die Geschwindigkeit, die Energie und die Richtung von Teilchen aus dem Weltall sehr viel genauer bestimmen, als es mit irdischen Detektoren möglich ist. Insgesamt hat das Instrument in den ersten anderthalb Jahren 30 Milliarden Partikel registriert, darunter 400.000 Positronen.

Ein Nachweis Dunkler Materie durch das AMS wäre sensationell. Unser Kosmos besteht zu 26,8 Prozent aus Dunkler Materie – das ist fünfeinhalb Mal so viel wie normale Materie. Dunkle Materie hält mit ihrer Schwerkraft Galaxien und Galaxienhaufen zusammen, aber noch weiß niemand, woraus diese rätselhafte Substanz besteht. Theoretische Modelle sagen jedoch voraus, dass Teilchen der Dunklen Materie sich gegenseitig vernichten können, dabei entstehen unter anderem Positronen. Und diese Positronen müssten – wie beobachtet – gleichmäßig aus allen Richtungen zu uns kommen.

Doch auch andere astrophysikalische Phänomene kommen als Produzenten von Positronen infrage. So können Neutronensterne mit starken Magnetfeldern – sogenannte Pulsare – Paare von Elektronen und Positronen erzeugen. Allzu weit können Positronen jedoch nicht durch den Kosmos reisen, denn sie verlieren rasch an Energie. Die Quelle der Positronen dürfte deshalb höchstens einige hundert bis tausend Lichtjahre entfernt sein. Ein naher Pulsar sollte sich dabei durch eine Vorzugsrichtung des Positronenüberschusses verraten. Doch andererseits können bei einer gleichmäßigen Verteilung von Pulsaren in unserer kosmischen Umgebung die Positronen auch nahezu gleichmäßig bei uns eintreffen. Die mit AMS gemessene Isotropie der Positronenstrahlung reicht deshalb nicht zur Unterscheidung zwischen beiden Szenarien.

Ein anderes Kriterium könnte dafür besser geeignet sein. Entstehen die Positronen aus Teilchen der Dunklen Materie, so müsste es eine deutliche Obergrenze für die Energie der Positronen geben. Tatsächlich deuten die AMS-Daten auf eine Abnahme des Positronenüberschusses oberhalb von 250 Gigaelektronenvolt hin. Weitere Messungen könnten hier Klarheit bringen. Der Detektor ist auf eine Lebensdauer von über zehn Jahren ausgelegt, wird den Forschern also noch ein Vielfaches der jetzt ausgewerteten Daten liefern – und so vielleicht auch eine energetische Obergrenze der Positronen nachweisen.

Nicht an der AMS-Mission beteiligte Wissenschaftler sind allerdings skeptisch. „Diese Modelle besitzen derart viele Knöpfe“, so Gregory Tarle von der University of Michigan, „es würde mich nicht überraschen, wenn sich jedes Ergebnis auch mit einer anderen astrophysikalischen Quelle erklären ließe.“ Auch bei Pulsaren könne es eine energetische Obergrenze für die Positronen geben, je nach Größe der Region, in der die Antiteilchen entstehen. Wenn sich in den AMS-Daten aber tatsächlich eine Obergrenze der Positronen-Energie abzeichnet, könnte ein anderes Großgerät die Entscheidung bringen: Dann nämlich müsste der große Teilchenbeschleuniger LHC des CERN nach seiner nächsten Aufrüstung die Partikel der Dunklen Materie direkt nachweisen können.