Tausend kosmische Antiprotonen
Höhenstrahlungsdetektor PAMELA findet keine Hinweise auf Dunkle Materie
Höhenstrahlungsdetektor PAMELA findet keine Hinweise auf Dunkle Materie.
Die kosmische Höhenstrahlung, die ins Sonnensystem gelangt, besteht hauptsächlich aus Protonen mit Energien von 106 bis 1020 eV. Auf diese hohen Energien werden die geladenen Teilchen z. B. bei Supernovaexplosionen oder in der Nähe von supermassiven Schwarzen Löchern beschleunigt. In der Höhenstrahlung treten neben den Protonen noch andere Partikel auf, wie etwa Antiprotonen. Sie entstehen z. B., wenn Proton-Antiproton-Paare von hochenergetischen Protonen bei Kollisionen erzeugt werden. Doch auch bei der Annihilation von schweren Teilchen der Dunklen Materie könnten Antiprotonen produziert werden. Mit dem Strahlungsdetektor PAMELA, der in einem Satelliten die Erde umkreist, konnte jetzt der Antiprotonenanteil der Höhenstrahlung so genau wie nie zuvor gemessen werden.
Abb.: Das von PAMELA gemessene Zahlenverhältnis von Antiprotonen und Protonen, verglichen mit den Resultaten früherer Experimente. (Bild: O. Adriani et al.)
Der PAMELA-Detektor („Payload for Antimatter Matter Exploration and Light-nuclei Astrophysics “ ), der mit dem russischen Satelliten Resurs-DK1 in die Erdumlaufbahn gebracht wurde, registriert seit dem 11. Juli 2006 die Partikel der Höhenstrahlung. Bisher hat der Detektor neben vielen Millionen Protonen auch ca. 1000 Antiprotonen mit Energien bis zu 100 GeV nachgewiesen. Das Hauptproblem beim eindeutigen Nachweis der Antiprotonen ist die riesige Zahl von Protoneneinschlägen, die direkt oder durch Erzeugung anderer Teilchen das Eintreffen eines Antiprotons vortäuschen können.
Bei früheren Experimenten hatte man Teilchendetektoren mit Hilfe von Ballons in große Höhen gebracht, um den störenden Einfluss der Erdatmosphäre so gering wie möglich zu halten. Die Protonen der Höhenstrahlung kollidieren auf ihrem Weg durch die hohen Atmosphärenschichten ebenso oft mit anderen Teilchen wie auf ihrem gewundenen, Millionen Lichtjahren langen Weg durch die Milchstraße. Die atmosphärischen Kollisionen erzeugen viele Teilchen, die das Antiprotonensignal fast vollständig überlagern. Deshalb konnte man bei verschiedenen Ballonexperimenten nur insgesamt 80 Antiprotonen mit Energien über 5 GeV zweifelsfrei nachweisen. Diese Datenmenge war zu gering, um weiter reichende Schlüsse zu ziehen.
Das hat sich jetzt mit den Messungen von PAMELA geändert. Die etwa 1000 registrierten Antiprotonen gestatten es erstmals, eine detaillierte Statistik des Zahlenverhältnisses zwischen Antiprotonen und Protonen über einen Energiebereich von 1 GeV bis 100 GeV aufzustellen. Die durch andere Teilchen fälschlicherweise ausgelösten Antiprotonensignale konnten dabei so stark reduziert werden, dass sie im Vergleich zu den zufälligen Schwankungen in der Höhenstrahlung nicht ins Gewicht fallen. Die Energiestatistik des Antiprotonenanteils stimmt gut mit den Resultaten der früheren Ballonexperimente überein. Zudem gestattet sie einen Vergleich mit theoretischen Vorhersagen. Demnach sind die beobachteten Antiprotonen außerhalb des Sonnensystems bei Kollisionen von hochenergetischen Protonen mit anderen Teilchen entstanden. Für eine weitere Entstehungsquelle, etwa aus Dunkler Materie, spricht bisher nichts.
Noch mindestens bis Ende 2009 wird PAMELA weiter nach Antiprotonen suchen und die Statistik verbessern. Man hofft, mit Hilfe dieser Daten Rückschlüsse auf die Energieverteilung zu gewinnen, die die kosmische Strahlung bei ihrer Entstehung hatte – bevor sich auf dem langen und gewundenen Weg der Teilchen durch die Milchstraße die Energieverteilung geändert hat. Auf diese Weise könnte man genauere Rückschlüsse auf die Entstehung der kosmischen Strahlung ziehen.
RAINER SCHARF
Weitere Infos:
- Originalveröffentlichung:
O. Adriani et al.: New Measurement of the Antiproton-to-Proton Flux Ratio up to 100 GeVin the Cosmic Radiation. Phys. Rev. Lett. 102, 051101 (2009)
http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.102.051101
http://physics.aps.org/pdf/10.1103/PhysRevLett.102.051101. pdf (frei) - PAMELA Collaboration:
http://pamela.roma2.infn.it
Weitere Literatur:
- Simon Swordy: Debating the source of a rare particle. Physics 2, 10 (2009)
http://dx.doi.org/10.1103/Physics.2.10 - P. Picozza et al.: PAMELA – A payload for antimatter matter exploration and light-nuclei astrophysics. Astropart. Phys. 27, 296 (2007)
http://dx.doi.org/10.1016/j.astropartphys.2006.12.002
http://arxiv.org/abs/astro-ph/0608697
AL
