Großfahndung nach Antisternen

„Um 10.45 Uhr hatten wir 5350 Meter erreicht. Trotz Sauerstoff fühlte ich mich so schwach, dass ich nur noch mit Anstrengung an zwei Apparaten die Ablesungen ausführen konnte”, berichtete der österreichische Physiker Viktor Franz Hess. Aber die Tortur lohnte sich: „Mit dem wissenschaftlichen Ergebnis dieser Fahrt konnte ich sehr zufrieden sein; es war mir gelungen, mit drei Apparaten unabhängig voneinander den Verlauf der durchdringenden Strahlung bis über 5000 Meter zu verfolgen”, wo sie „mehr als doppelt so stark” wie am Erdboden war – „ein Ergebnis, welches vollkommen neue Gesichtspunkte schuf”.

Diese Messungen vom 7. August 1912, die Viktor Hess wenig später beschrieb, öffneten ein neues Fenster zum Universum: die Entdeckung der „Kosmischen Strahlung”, wie sie seit den 1940er- Jahren genannt wird. Zuvor hatten die Physiker angenommen, dass die Radioaktivität in der Umgebung umso schwächer ist, je weiter man sich vom Erdboden entfernt. Hess stellte bei seinen Ballonfahrten aber fest, dass sie ab 500 Metern wieder zunimmt und ab 1800 Metern stärker ist als am Boden.

Teilchenstrom aus der Galaxis

Heute, 100 Jahre nach dieser Pionierleistung, wird die Kosmische Strahlung intensiver erforscht denn je – mit gigantischen Teleskopanlagen auf der Erde, mit Höhenballons und Satelliten. Inzwischen ist klar, dass sie aus energiereichen Teilchen besteht, die von vielen unterschiedlichen Quellen im All stammen (siehe „Gut zu wissen” auf S. 46).

Der Partikelstrom, der aus der Milchstraße kommt, enthält zu über 85 Prozent Protonen und zu etwa 10 Prozent Helium-Kerne. 1 Prozent sind schwerere Atomkerne und knapp 1 Prozent Elektronen. Noch geringer ist der Anteil an Antimaterie – Positronen und Antiprotonen. Die Eigenschaften von Antimaterie sind teils identisch mit denen der Materie, teils gerade entgegengesetzt – zum Beispiel bei der Ladung. Und wenn sich die spiegelbildlichen Partner treffen, vernichten sie sich zu Gammastrahlung (bild der wissenschaft 6/2012, „Antimaterie – Vorstoß in die Gegenwelt” .)

Das eine Prozent an Elementen, die schwerer sind als Helium, sowie die Spuren aus Antimaterie bereiten den Astrophysikern gegenwärtig das meiste Kopfzerbrechen. Weil sich diese Partikel nur vom Weltall aus jenseits der störenden Erdatmosphäre erforschen lassen, ist ihre Charakterisierung und Erklärung sehr schwierig. Doch mit dem Alpha Magnetic Spectrometer (AMS) auf der Internationalen Raumstation ist eine experimentelle Antwort jetzt in gleichsam himmlische Reichweite gerückt.

Gibt es eine Gegenwelt?

Dabei geht es auch um ein ganz grundlegendes Problem: Warum besteht die Welt, soweit wir sie kennen, aus Materie und nicht aus Antimaterie? Oder anders gefragt: Gibt es auch Galaxien, Sterne, Planeten und vielleicht sogar Intelligenzen aus Antimaterie? Da sich diese wie Materie verhalten würde, wäre das möglich – und genauso wahrscheinlich oder unwahrscheinlich wie etwa die Evolution des Erdenlebens.

Fest steht, dass Antimaterie in der Milchstraße eine Seltenheit ist, ebenso wie in der Lokalen Gruppe und in dem Superhaufen der Galaxien, zu dem die Milchstraße gehört. Wäre das anders, dann würden sich an den Kontaktzonen der Materie- und Antimaterie-Inseln gewaltige Vernichtungsorgien abspielen. Dabei entstünde intensive Gammastrahlung – und zwar viel mehr, als Astronomen beobachten.

Unsere weiträumige Umgebung ist also von Materie dominiert. Ob es aber in einigen Milliarden Lichtjahren Entfernung anders ist und sich Materie und Antimaterie kosmisch gesehen die Waage halten, oder ob aufgrund eines unbekannten Naturgesetzes kurz nach dem Urknall ein Materieüberschuss entstanden ist, der sich bis heute hält, das gehört zu den großen ungelösten Rätseln der modernen Wissenschaft.

„Für die Abwesenheit von Antimaterie gibt es bislang keine Erklärung. Das heißt aber auch: Es gibt keinen Grund, warum sie nicht existieren sollte”, sagt Roberto Battiston von der italienischen Universität Perugia. Ob Antimaterie eine Rarität oder die Regel im Kosmos ist, lässt sich aber herausfinden. Denn seit ein paar Monaten sind solche Fragen nicht mehr allein Gegenstand theoretischer Spekulationen. „Mit dem Alpha Magnetic Spectrometer können wir uns mit einer gegenüber bisherigen Messungen 1000-fach größeren Empfindlichkeit auf die Suche nach kosmischer Antimaterie machen”, sagt Thorsten Siedenburg von der RWTH Aachen.

AMS steht für eines der ehrgeizigsten Projekte der modernen Astrophysik. Das 3 mal 4 mal 5 Meter große, 7,5 Tonnen schwere und über 1,5 Milliarden Dollar teure Instrument ist das komplexeste Gerät, das jemals ins All gebracht wurde. Die Space Shuttle Endeavour hat es im Mai 2011 zur Internationalen Raumstation ISS befördert.

AMS ist im Lauf von 17 Jahren gebaut worden: von 600 Wissenschaftlern aus 60 Institutionen in 16 Ländern – darunter Italien, Deutschland, Russland, China, Taiwan und den USA. Initiator und Projektleiter ist Samuel Ting, Professor am Massachusetts Institute of Technology. Er hatte das AMS trotz aller Widrigkeiten auf den Weg gebracht – dank seines Physik-Nobelpreises von 1976 und besten politischen Verbindungen. Schon 1994 hatte er unter Umgehung der üblichen Begutachtungsverfahren den damaligen NASA-Administrator Dan Goldin davon überzeugt, die ISS für das Magnetspektrometer zu nutzen. Das kam Goldin gelegen, weil es nicht einfach war, eine wissenschaftliche Rechtfertigung für die teure Raumstation zu finden. Während zum Beispiel für den Large Hadron Collider am CERN vier große Experimente vorgesehen waren, hatte die ISS damals noch kein einziges Großexperiment vorzuweisen, obwohl sie das Zehnfache kostete.

Dann ging es rasch voran: Bereits im Juni 1998 flog ein AMS-Prototyp, AMS-01, zehn Tage lang an Bord der Space Shuttle Discovery durchs All. Der Nachweis war erbracht, dass das Gerät unter den widrigen Weltraumbedingungen funktionierte und erstklassige Daten liefern konnte. AMS-01 detektierte die Spuren von über 100 Millionen geladenen Teilchen, darunter etwa drei Millionen Helium-Kernen. Ein schwerer Antiatomkern wie etwa Antihelium war allerdings nicht dabei.

Katastrophaler Absturz

Doch es folgte ein Rückschlag: Mit dem katastrophalen Absturz der Raumfähre Columbia 2003 schien auch AMS am Ende zu sein. Denn die Shuttle-Flüge wurden zwar 2005 wieder aufgenommen, aber nur, um die ISS fertig auszubauen. Ting schaffte es, dass die NASA einen zusätzlichen Shuttle-Start zur Raumstation einplante, um AMS dorthin zu bringen – oder AMS-02, wie der Detektor seither offiziell heißt.

Als sich abzeichnete, dass die ISS bis 2020 oder gar 2028 betrieben werden würde, änderte Ting seinen Plan. Er beschloss, das Herzstück von AMS entfernen zu lassen, einen supraleitenden Hochleistungsmagneten (Feldstärke 0,85 Tesla), da dessen Helium-Kühlung nur gut zwei Jahre ausgereicht hätte. An seiner Stelle wurde der schwächere Neodym-Permanentmagnet (0,125 Tesla) von AMS-01 eingebaut. Zwar ist die Messgenauigkeit dadurch geringer, aber das wird durch empfindlichere Detektoren und die längere Messzeit mehr als wettgemacht.

„Wenn die Raumstation 2015 geschlossen würde, hätten wir den Magneten nicht ausgetauscht”, sagt Ting. Doch so wird die Datenausbeute wesentlich besser sein. Außerdem erübrigen sich die Probleme und Gefahren, flüssiges Helium ins All zu bringen, da dies für den Permanentmagneten nicht nötig ist. Allerdings erforderte der Umbau von AMS-02 eine Verschiebung des Shuttle-Starts. Doch auch dazu war die NASA bereit und stellte den vorletzten Flug überhaupt zur Verfügung.

Inzwischen hat AMS seine Arbeit aufgenommen. Am 19. Mai 2011 wurde das Teilchenspektrometer an die ISS angedockt. „Bereits viereinhalb Stunden später lieferte es Messergebnisse – in einer brillanten, bislang unerreichten Qualität”, sagt Roberto Battiston.

Komplexität und Kontrolle

Seit dem 19. Juni 2011 wird AMS vom Payload Operations Control Center am CERN überwacht. Dort treffen rund um die Uhr bis zu 100 Megabit Daten pro Sekunde ein. Das ist keineswegs selbstverständlich, denn die Bedingungen von AMS sind nicht gerade ideal. Das Spürgerät muss sich nach dem Kurs der Raumstation richten – und der bringt extreme Temperatur- und Beleuchtungsschwankungen mit sich. Entsprechend robust wurde AMS gebaut. 1118 Temperatursensoren und 298 Heizquellen sorgen für die nötige thermische Kontrolle. Es herrscht hohe Redundanz, teilweise sind die einzelnen Bauteile viermal vorhanden.

Allerdings ist AMS auch sehr komplex. 650 Prozessoren sind an Bord, mit 300 000 elektronischen Kanälen – und allein in der Detektoreinheit RICH (Ring Imaging Cerenkov Counter) gibt es 11 000 Photosensoren.

Aus Deutschland stammen unter anderem Antikoinzidenz-Zähler, um seitlich einfliegende Teilchen zu identifizieren, die Antimaterie vortäuschen könnten, sowie ein Übergangsstrahlungsdetektor aus 5248 mit Xenon gefüllten Proportionalzählrohren. „Damit können wir Positronen von den 10 000 Mal häufigeren Protonen unterscheiden”, sagt Thorsten Siedenburg.

Trotz der technischen Komplexität ist das Prinzip von AMS einfach: Alles, was an Partikeln durchs All fliegt und zufällig den Zylinderkörper von AMS passiert, wird nach seiner Masse und Ladung charakterisiert. Die beiden Größen werden gemessen durch die Ablenkung im Magnetfeld, durch Flugzeitbestimmungen und die Energieabgabe in den neunschichtigen Detektorscheiben. So kann AMS simultan alle Atomkerne in der Kosmischen Strahlung mit Energien von maximal einem Teraelektronenvolt nachweisen und dabei sogar Atome auseinanderhalten, die schwerer sind als Kobalt.

Geteilter Nobelpreis

Ting ist Perfektionist. Als er 1974 ein neues Teilchen entdeckt hatte, das J/Psi-Meson, war er so lange mit den Analysen, Tests und Überprüfungen beschäftigt, dass eine andere Forschergruppe in der Zwischenzeit das Teilchen ebenfalls aufspürte – und Ting musste sich den Physik-Nobelpreis mit Burton Richter teilen. Doch AMS ist konkurrenzlos: Kein anderes Gerät hat diese Empfindlichkeit. „Wir werden uns mit der Publikation unserer Ergebnisse Zeit lassen”, sagt Battiston. „Denn wir wollen sicher sein, dass die Zahlen stimmen.” Ting hat eine rigide Informationspolitik verordnet.

Die bisherigen Resultate sind jedenfalls vielversprechend: AMS arbeitet zuverlässig und hochpräzise. Erste Ergebnisse wurden im März vorgestellt: von Roberto Battiston auf einem Kosmologie-Symposium in Irsee, Allgäu, und von Thorsten Siedenburg auf der Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft in Stuttgart.

„In den ersten 9 Monaten haben wir über 13 Milliarden Ereignisse gemessen”, berichtete Battiston. „Jedes Jahr werden wir 16 Milliarden Teilchen registrieren, in 10 bis 20 Jahren also 160 bis 320 Milliarden. Das wird die Suche nach neuen physikalischen Effekten beispiellos voranbringen.”

Die bislang bestimmte Obergrenze des Häufigkeitsverhältnisses von Helium zu Antihelium beträgt eine Million zu eins. Das ergab schon der kurze Flug von AMS-01. In den nächsten Jahren wird AMS-02 die Empfindlichkeit um den Faktor 10 000 steigern. Sollte also mehr als ein Antihelium-Atom auf zehn Milliarden Helium-Atome kommen, dann könnten die Physiker das nachweisen.

Licht in ein dunkles Rätsel

Und das ist noch nicht alles: AMS soll auch Licht ins Rätsel der Dunklen Materie bringen. 83 Prozent der Gesamtmasse im All ist unsichtbar und besteht wahrscheinlich aus noch völlig unbekannten Elementarteilchen (bild der wissenschaft 12/2011, „ Dunkle Materie”). AMS kann diese Teilchen zwar nicht direkt nachweisen, aber indirekte Indizien liefern. Wenn sich nämlich die Partikel der Dunklen Materie gegenseitig vernichten, ähnlich wie Materie und Antimaterie, dann sollten dabei unter anderem Positronen entstehen.

Tatsächlich haben die Satelliten PAMELA (Payload for Antimatter Matter Exploration and Light-nuclei Astrophysics) und Fermi einen Überschuss an Positronen gemessen. Ob das ein Hinweis auf Dunkle Materie ist oder ob der Überschuss aus anderen Quellen stammt, ist allerdings umstritten. AMS wird das wohl schon in wenigen Jahren klären können.

Außerdem wird AMS die Zusammensetzung der galaktischen Kosmischen Strahlung sehr genau bestimmen. Und, wenn die Forscher Glück haben, wird AMS auch völlig unbekannte Phänomene beobachten. So könnte es neben den gewöhnlichen Baryonen (schweren Teilchen wie Protonen, Neutronen und Helium-Kerne), die alle aus u- und d-Quarks bestehen, auch sogenannte Strangelets geben. Darüber hatte der Mathematiker und Physiker Edward Witten schon 1984 spekuliert.

Diese „Strange Quark Matter” enthält neben u- und d- auch s-Quarks – daher ihr Name (u steht für up, d für down und s für strange). Einen möglichen Kandidaten dafür hatte schon AMS-01 aufgespürt, wie Vitaly Choutko vom CERN auf einer Konferenz 2003 berichtete. Doch bislang sind Strangelets noch Spekulation.

Fremde Inseln im All

Noch brisanter wäre der Nachweis von schweren Antikernen. Schon Antihelium entsteht bei natürlichen Teilchenkarambolagen so selten, dass AMS eigentlich keinen einzigen solchen Atomkern auffinden sollte. Auch auf der Erde konnte Antihelium erst 2011 erzeugt werden. Wenn AMS aber mehrere solche Nuklei oder beispielsweise einen Antikohlenstoff oder -sauerstoff nachwiese, dann wäre das ein eindeutiges Indiz dafür, dass das Teilchen aus einer Region im Universum stammt, in der Antimaterie vorherrscht. Denn ein solches Teilchen könnte nur im Zentrum eines Sterns aus Antimaterie erbrütet worden sein – ähnlich wie nahezu alle schwereren Elemente als Helium und Lithium aus der Kernfusion in Sternen stammen.

Die meisten Kosmologen sind davon überzeugt, dass sich die heutige Dominanz der Materie bereits in der ersten Sekunde nach dem Urknall herausgebildet hat und halten es für extrem unwahrscheinlich, dass AMS schwere Antikerne finden wird. Doch Ting lässt sich nicht beirren: „Echte Entdeckungen geschehen außerhalb des Bereichs bestehenden Wissens. Wenn wir nicht nach Antikernen suchen, werden wir niemals erfahren, ob es Antisterne gibt.” ■

RÜDIGER VAAS ist Redakteur für Astronomie und Physik bei bild der wissenschaft und Autor etlicher Bücher, vor allem über Kosmologie.

von Rüdiger Vaas