Positronen aus dem All Rätselhafte Antiteilchen noch rätselhafter

Warum gibt es nahe der Erde so viele Anti-Elektronen? Physiker haben überraschende Antworten gefunden - in 300 Wassertanks im Hochland von Mexiko.

Gammastrahlen-Observatorium HAWC in Mexiko
Jordan Goodman

Gammastrahlen-Observatorium HAWC in Mexiko

Von Thorsten Dambeck


Ein Kalauer, den sich Physiker erzählen, geht so: Einst trafen sich Edward Teller und sein Zwilling aus Antimaterie. Als sich beide die Hände zur Begrüßung schüttelten, blieb nichts als ein greller Gammablitz. Das Ganze hat sich so natürlich nie zugetragen - es handelt sich um typischen Nerd-Humor: Teller, der Vater der Wasserstoffbombe, verstarb hochbetagt in Kalifornien.

Trotzdem: In der Physik sind leicht bizarre Dinge möglich, erst recht wenn es um mysteriöse Partikel geht. Beispielsweise hat sich der spätere Nobelpreisträger Paul Dirac 1928 das Positron ausgedacht. Das ist ein Antimaterie-Partikel, sozusagen der falsche Zwilling des Elektrons.

Während ein Elektron negativ geladen ist, ist das Anti-Teilchen positiv. Fatal nur, wenn beide aufeinandertreffen: Durch die entgegengesetzten Ladungen ziehen sie sich an und der Crash führt zur sogenannten Paarvernichtung: Lediglich Gammastrahlung bleibt dann übrig, also elektromagnetische Wellen höchster Energie.

Mysteriöse Partikel aus dem All

Anders als der "Anti-Teller" ist das Positron kein theoretisches Konstrukt. Im Jahr 1932 wurde das Partikel als geringer Anteil in den kosmischen Strahlen tatsächlich entdeckt. Dass es nahe der Erde unerwartet viele davon gibt, wissen Astronomen aber seit wenigen Jahren. Als wahrscheinliche Herkunft wurden sogenannte Pulsare genannt, stark strahlende Neutronensterne.

Doch eine in "Science" publizierte Studie stellt diese These nun in Frage - und bringt eine andere Quelle ins Spiel: die mysteriöse dunkle Materie, die das ganze All durchziehen soll, für deren Existenz es bislang aber keine harten Beweise gibt.

Die kosmische Strahlung besteht aus einer Mixtur verschiedener Teilchen, hauptsächlich sind es Protonen und Elektronen. Der Österreicher Viktor Hess hatte schon zu Beginn des 20. Jahrhunderts bei Ballonfahrten eine "Höhenstrahlung" entdeckt, diese entsteht, wenn kosmische Teilchen in die Luft eindringen. Über hundert Jahre später rätseln Physiker noch immer, welche Prozesse im Weltall diese Strahlen erzeugen.

Observatorium am Vulkan Sierra Negra
HAWC Collaboration

Observatorium am Vulkan Sierra Negra

Auch im Erdorbit stellen sie den mysteriösen Strahlen nach. Dabei hatte ein Satellit schließlich 2008 unerwartet viele Positronen gemessen. Dieser überraschende Befund wurden später mehrfach bestätigt, darunter auch mit dem aufwendigen AMS-Experiment an Bord der Internationalen Raumstation.

Fünf Meter hohe Metalltanks

Woher die vielen Antiteilchen stammen, ist bis heute unklar. Sind womöglich Pulsare in unserer kosmischen Nachbarschaft die Schuldigen? Solche Neutronensterne entstehen als Überbleibsel verblichener Sterne, die ihr Leben gleichsam mit einem Paukenschlag beendet haben, nämlich in einer Supernova-Explosion. Pulsare sind dafür bekannt, dass sie entlang ihrer magnetischen Achse energiereiche Partikel ins All katapultieren.

Einer Antwort sind Physiker auf dem mexikanischen Vulkan Sierra Negra nun nähergekommen. Dort liegt in 4100 Metern Höhe das Gammastrahlen-Observatorium HAWC (High-Altitude Water Cherenkov Gamma-Ray Observatory). Es besteht aus 300 dicht gedrängten, fünf Meter hohen Metalltanks mit hochreinem Wasser.

Wie der Detektor Gammastrahlung nachweist
Slvia Bravo Gallart/ WIPAC

Wie der Detektor Gammastrahlung nachweist

Damit können die Forscher Teile der Strahlung untersuchen, welche die Pulsare Richtung Erde schicken, vor allem Gammaquanten. Diese wechselwirken mit der Luft der Atmosphäre, die dabei entstehenden Partikel erzeugen in den Wassertanks blaue Lichtblitze, die wiederum von Sensoren registriert werden. Daraus können Experten die Herkunftsrichtung und die Energie des ursprünglichen Gammastrahls ermitteln. Und so auch ableiten, was für Positronen die Pulsare emittieren.

Exotischere Strahlungsquellen

Zwei besonders verdächtige Pulsare haben die Forscher am HAWC-Observatorium über 500 Tage nicht aus den Augen gelassen: Den sogenannten Geminga-Pulsar und den Pulsar PSR B0656+14, beide wurden samt ihrer Umgebung observiert. Wie das internationale Team im Fachblatt "Science" berichtet, zeigen die Auswertungen der HAWC-Daten, dass die beiden Sternleichen durchaus Positronen aussenden. Für einen Schuldspruch reichen die Indizien trotzdem nicht. Dafür haben die Teilchen nicht genug Energie.

Petra Hüntemeyer von der Michigan Technological University kommt zum Fazit: "Unsere Analysen sprechen dagegen, dass die beiden Pulsare für den Positronenüberschuss verantwortlich sind, den die Instrumente im Weltraum gemessen haben." Denn mit dem HAWC-Observatorium konnte auch die Umgebung der Pulsare abgelichtet werden, da wo die magnetisch beschleunigten Partikel ihre Energie an Gammastrahlen abgeben.

Woher sonst?

Die Auswertung zeigt: Die Partikel sind zu langsam, sie können nicht weit genug diffundieren, um es bis zur Erde zu schaffen. Es ist wohl ein Freispruch für die Pulsare, aber keiner erster Klasse. Denn die Diffusion der Partikel wurde nur vereinfacht kalkuliert. Sind womöglich andere Pulsare die Bösewichte? Die Forscher glauben das nicht, denn die Zahl der bekannten erdnahen Exemplare ist überschaubar. Ob ihnen die Positronen noch angehängt werden können, ist fraglich.

Womöglich sind ganz andere, noch exotischere Strahlungsprozesse am Werk, berichten die Forscher. Immer wieder wird nämlich auch die ominöse Dunkle Materie zur Erklärung ins Feld geführt. Die sogenannten Wimpteilchen könnten an der Positronenproduktion beteiligt sein. Diese hypothetischen Partikel gelten als Quelle der Dunklen Materie, der Name steht für weakly interacting massive particle.

Hüntemeyer: "Dunkle Materie ist nicht sichtbar, wir glauben trotzdem, dass sie existiert." Denn nur so gebe es genügend Schwerkraft, um die Geschwindigkeiten der Sterne bei ihrer Bewegung um das Zentrum der Galaxien zu erklären.

Aber: "Dunkle Materie ist schwer fassbar", so Hüntemeyer. Sie sende kein Licht aus und sei nur indirekt über ihre Gravitationswirkung nachweisbar.

Die aktuelle Studie könne nicht als Beweis für ihre Existenz gewertet werden. Höchstens als Indiz.



insgesamt 50 Beiträge
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Seite 1
schwerpunkt 17.11.2017
1.
Ein möglicher Prozess, wie die WIMPs für die Positronen verantwortlich sein könnten, wird im Beitrag leider nicht angedeutet.
Bueckstueck 17.11.2017
2. Hmmm
Wenn ein Antineutrino auf ein Proton trifft, entsteht ein Positron und ein Neutron. Womöglich schwebt dort draussen ein getarnter romulanischer oder klingonischer Warbird der an einer seiner Warpgondeln ein Neutrinoleck aufweist...
diorder 17.11.2017
3. Ich glaube nur , was ich sehe
So die Anwort meiner Schüler im Religionsunterricht auf die Frage, ob es unsichtbare Mächte - Gott oder etwas Ähnliches - gäbe. Obwohl sie dann doch an die Existenz von Aliens glauben. Gut, dass es die moderne Physik gibt, die sich auch dem Unsichtbaren wissenschaftlich nähert. Die Rätsel der Natur beflügeln beide : die Wissenschaft und die Religion. Sie bleiben also im Gespräch, weil sie Produkte unterschiedlicher Teile unseres Gehirns sind. Beweisbar ist jedenfalls die Tatsache, dass es das so funktionierende Gehirn gibt. Die Tatsache, dass wir damit - noch - überleben, sollte uns das Zutrauen zu seinen erstaunlichen Leistungen in jeder Richtung erhalten. Staunen und Ehrfurcht und Dankbarkeit sind angesagt.
brehn 17.11.2017
4. hm naja
Nun gut, vielleicht gibts aber auch keine dunkle Materie und die Bestimmung der Positionen / Geschwindigkeiten der beobachteten Systeme ist fehlerbehafteter als man dachte?! Siehe Halton Arp....
Schnabeltier 17.11.2017
5. Ein interessanter Artikel,
aber was ist das für ein albernes Gehabe, von Bösewichten, Schuldigen und Freispruch zu sprechen? Welchen Zweck soll das haben - das Verständnis erhöht diese kindische Wortwahl ganz sicher nicht. Selbst die Sendung mit der Maus kommt ohne vermenschlichenden Zuschreibungen aus...
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