Durchbruchreiche Antimaterie-Kernhilfen bei der Untersuchung schwer fassbarer Dunkler Materie
Eine internationale Forschergruppe hat den schwersten bisher in einem Experiment nachgewiesenen Antimaterie-Atomkern entdeckt. Diese Entdeckung könnte möglicherweise Licht ins Dunkle bringen und zur Aufklärung der mysteriösen Dark Matter beitragen, deren Existenz zwar vorhergesagt, aber bisher nicht nachgewiesen wurde.
Antimaterie hat die Wissenschaftler seit langem fasziniert. Es wird angenommen, dass bei der Big Bang gleich große Mengen an Antimaterie und "normaler" Materie entstanden sind. Doch Antimaterie ist heute kaum noch in unserem Universum vorhanden. Ein Team der STAR-Kollaboration versucht dieses Rätsel zu lösen, indem es Experimente am Teilchenbeschleuniger des Brookhaven National Laboratory in den USA durchführt. Dabei haben sie nun den schwersten bisher bekannten Antimaterie-Atomkern entdeckt, wie sie in einer Studie in "Nature" beschreiben. Die Leitung der Studie liegt beim Institute for Modern Physics (IMP) der Chinesischen Akademie der Wissenschaften.
Big Bang-ähnliche Bedingungen erzeugen
Wenn Gold-Atomkerne Nearly mit Lichtgeschwindigkeit in einem Teilchenbeschleuniger zusammenstoßen, werden die gleichen extremen Temperaturen und Drücke wie im Universum Momente nach dem Big Bang nachgestellt. Bei jedem Zusammenstoß werden Tausende neue Materie- und Antimaterie-Teilchen produziert.
Obwohl Materie und Antimaterie die gleichen grundlegenden Bausteine haben, besitzen die Teilchen entgegengesetzte elektrische Ladungen. Zum Beispiel sind Elektronen negativ geladen, während ihre Antiteilchen, Positronen, positiv geladen sind.
Milliarden von Zusammenstößen, Hunderte von Entdeckungen
Das Team der STAR-Kollaboration erklärte, dass sie für ihr Experiment rund sechs Milliarden Gold-Atomkerne beschleunigt haben, wie in "World of Physics" berichtet wird. Wenn Teilchen durch ein Gas in einem Magnetfeld hindurchlaufen, hinterlassen sie nachweisbare Spuren unterschiedlichen Dicken, wie in "The Conversation" beschrieben. Diese Spuren krümmen sich im Magnetfeld, wobei Materie und Antimaterie unterschiedlich reagieren: Antimaterie bewegt sich in eine Richtung, während Materie in die entgegengesetzte Richtung bewegt wird.
Der neu entdeckte Kern wurde antihypertritium-4 genannt und besteht aus einem Antiproton, zwei Antineutronen und einem Antihyperon, ähnlich wie ein typischer Atomkern mit drei Neutronen, aber mit einem durch ein Hyperon ersetzt, was ihn schwerer macht. Das Gleiche gilt für Antimaterie, was zu dem schwersten und ungewöhnlichsten bisher entdeckten Kern führt.
Angesichts der seltenen Bedingungen, die erforderlich sind, damit die Antiteilchen zu antihypertritium-4 verschmelzen, fanden die Forscher nur 16 dieser Atomkerne.
Die Forscher untersuchten auch die Lebensdauer von antihypertritium-4 im Vergleich zu hypertritium-4, seinem "normalen" Materie-Entsprechung. Sie fanden keinen Unterschied.
Dieses Ergebnis unterstützt die etablierten physikalischen Modelle, die besagen, dass sich Materie- und Antimaterie-Teilchen gegenseitig annihilieren und Strahlung zurücklassen, wenn sie zusammenstoßen. Allerdings erklärt dies nicht die Ursache der "Asymmetrie". Nach diesen Modellen sollten sich Materie und Antimaterie vollständig nach dem Big Bang annihiliert haben.
Daten für die Dunkle Materie-Forschung
Doch die Entdeckung der STAR-Kollaboration könnte bei der Lösung eines noch größeren Rätsels helfen: dem Geheimnis der Dunklen Materie. Ihre Existenz wird nur aufgrund ihrer Auswirkungen auf die Bewegungen von Sternen und Galaxien vermutet. Zum Beispiel ist die Massendichte in der Mitte von Spiralgalaxien höher als am Rand. Bei dieser Dichte sollten die Umlaufgeschwindigkeiten der Sterne zum Rand hin abnehmen, was aber nicht der Fall ist. Dies legt eine unsichtbare Materie nahe, die für diese Diskrepanzen verantwortlich ist.
Die Wissenschaftler schätzen, dass mehr als 80 % der Gesamtmasse des Universums aus Dunkler Materie besteht. Trotz ihrer bedeutenden Rolle bei der Formung unseres Universums ist ihre Zusammensetzung unbekannt.
Experimente an Bord der Internationalen Raumstation (ISS), wie der Alpha Magnetic Spectrometer (AMS), versuchen Licht ins Dunkle zu bringen. AMS sucht nach hochenergetischen Teilchen aus dem Weltraum mit einem starken Magneten, um ihre Bahnen zu krümmen. Wie in einem Teilchenbeschleuniger bewegen sich Materie- und Antimaterie-Teilchen in entgegengesetzte Richtungen.
AMS interessiert sich insbesondere für Antihelium, das einige Theorien als Produkt von Dunkler Materie-Kollisionen produzieren. Die gleiche Reaktion kann auch stattfinden, wenn hochenergetische kosmische Strahlung mit Materie interagiert.
Um zwischen den kosmischen und terrestrischen Quellen von Antihelium zu unterscheiden, hat ein Experiment am CERN-Forschungszentrum unter Verwendung des Teilchenbeschleunigers bereits wertvolle Daten geliefert. Durch das Zusammenstoßen von Protonen (Hauptbestandteile der kosmischen Strahlung) und Blei-Atomen mit hoher Geschwindigkeit bestimmten sie die Wahrscheinlichkeit der Bildung von Antihelium-3-Kernen, was es ermöglicht, zwischen diesen möglichen Antihelium-Quellen zu unterscheiden und sie auf ihre potentiellen Ursprungsregionen zurückzuführen.
Das Team der STAR-Kollaboration verwendet den Teilchenbeschleuniger des Brookhaven National Laboratory und führt Experimente mit Gold-Atomkern-Zusammenstößen durch. Diese Experimente beinhalten Teilchenbeschleuniger und andere Geräte, die Big Bang-ähnliche Bedingungen erzeugen und eine große Anzahl von Materie- und Antimaterie-Teilchen produzieren.
Der schwerste in der Studie entdeckte Antimaterie-Atomkern, antihypertritium-4, wurde aus diesen Zusammenstößen erzeugt. Der Teilchenbeschleuniger und die zugehörigen Geräte spielten eine entscheidende Rolle bei der Erzeugung der extremen Temperaturen und Drücke, die für die Bildung dieses seltenen Kerns erforderlich sind.
