Kosmische Strahlung: Zu viele Positronen

Die kosmische Strahlung enthält auch einen kleinen Anteil an Positronen. Als Hauptquelle dieser Antiteilchen gilt die Wechselwirkung zwischen Atomkernen in der kosmischen Strahlung und dem interstellaren Gas. Messungen mit dem Satellitenexperiment Pamela, über die ein internationales Forscherteam in der aktuellen Ausgabe von "Nature" berichtet, zeigen jedoch, dass es bei hohen Energien mehr Positronen gibt, als sich allein durch eine solche sekundäre Quelle erklären lässt. Eine mögliche Ursache für den Positronen-Überschuss wäre der Zerfall von Teilchen der Dunklen Materie.

Abb.: Zeichnung des russischen Forschungssatelliten Resurs-DK1. Das Pamela-Experiment befindet sich in dem externen Container oben rechts. (Bild: Pamela Collaboration) 

Pamela steht für "Payload for Antimatter Matter Exploration and Light-nuclei Astrophysics". Das Detektor-Experiment zur Untersuchung der kosmischen Strahlung war am 15. Juni 2006 als Teil des russischen Forschungssatelliten Resurs-DK1 ins All gestartet und auf eine Umlaufbahn zwischen 350 und 610 Kilometern Höhe gebracht worden. Die jetzt präsentierten Ergebnisse basieren auf Messungen zwischen Juli 2006 und Februar 2008. In diesen 500 Tagen registrierte Pamela insgesamt rund eine Milliarde Ereignisse, davon 151.672 Elektronen und 9430 Positronen im Energiebereich von 1,5 bis 100 Giga-Elektronenvolt.

Im unteren Energiebereich zeigen die Pamela-Messungen signifikant weniger Positronen als frühere Messungen. Als Ursache dafür kommt nach Ansicht des Pamela-Teams eine Modulation der kosmischen Strahlung durch die Sonnenaktivität infrage. Insgesamt ist der Anteil der Positronen bis zu etwa fünf GeV aber in guter Übereinstimmung mit den Vorhersagen des Modells der sekundären Produktion der Antiteilchen.

Anders sieht es oberhalb von zehn GeV aus. Während bei einer sekundären Produktion eine Abnahme des Positronen-Anteils mit wachsender Energie zu erwarten wäre, zeigen die Pamela-Daten im Gegensatz dazu einen deutlich Anstieg des Positronen-Anteils. Es muss also, so folgern die Wissenschaftler, entweder das Modell der sekundären Positronen-Erzeugung erheblich modifiziert werden - oder es gibt zusätzlich eine zweite, primäre Positronenquelle, aus der die zusätzlichen hochenergetischen Antiteilchen stammen. Für die Existenz einer zusätzlichen primären Quelle spricht auch, dass im vergangenen Jahr ein Ballon-Experiment auf einen Überschuss an hochenergetischen Elektronen im Bereich von 300 bis 800 Giga-Elektronenvolt in der kosmischen Strahlung gestoßen ist.  

Mögliche Kandidaten für die Produktion von hochenergetischen Elektronen und Positronen wären einerseits Pulsare und Mikroquasare in unserer näheren kosmischen Umgebung. Andererseits könnten Elektronen und Positronen aber auch beim Zerfall von Teilchen der Dunklen Materie entstehen. Etwa 80 Prozent der Materie im Kosmos ist nach heutigen Erkenntnissen nichtbaryonisch und besteht aus bislang unbekannten Elementarteilchen. Mögliche Kandidaten sind beispielsweise die von supersymmetrischen Theorien vorhergesagten Neutralinos. 

Die bisherigen Daten von Pamela reichen nicht aus, um zwischen den verschiedenen Möglichkeiten der Positronen-Produktion zu unterscheiden. Die Forscher hoffen jedoch, dass sich das schon bald ändert. Das Experiment nimmt stetig weitere Daten auf, verbessert so die Statistik des Energiespektrums der Positronen und liefert zusehends auch Daten bis hin zu Energien von 300 GeV bei Positronen und 500 GeV bei Elektronen. Damit sollten schon bald genauere Aussagen über den Ursprung der hochenergetischen Elektronen und Positronen in der kosmischen Strahlung möglich sein.  

Rainer Kayser


Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  O. Adriani et al., "An anomalous positron abundance in cosmic rays with energies 1.5–100 GeV", Nature 458, 607 (2009)
• A. M. Atoian, F. A. Aharonian und H. J. Volk, "Electrons and positrons in the galactic cosmic rays", Physical Review D 52, 3265 (1995)
• M. Aguilar et al., "Cosmic-ray positron fraction measurement from 1 to 30 GeV with AMS-01", Physics Letters B 646, 145 (2007)
• J. Chang et al., "An excess of cosmic ray electrons at energies of 300–800 GeV", Nature 456, 362 (2008).
• Pamela-Mission:
  http://pamela.roma2.infn.it/index.php

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