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Neue Ergebnisse des AMS-Experiments auf der Internationalen Raumstation ISS

18.09.2014 - (idw) Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen

RWTH Aachen und Forschungszentrum Jülich haben entscheidenden Anteil an dem AMS Projekt Die jüngsten Ergebnisse der Vermessung hochenergetischer Elektronen und Positronen werden heute am Forschungszentrum CERN von dem Sprecher des AMS Projektes dem Nobelpreisträger und Ehrendoktor der RWTH Aachen, Professor Dr. Samuel C.C. Ting, vorgestellt. Die Ergebnisse basieren auf etwa 41 Milliarden mit dem Teilchendetektor AMS aufgezeichneten Ereignissen. Sie liefern ein vertieftes Verständnis des Ursprungs und der Natur der kosmischen Strahlung und beleuchten Fragen zu der Existenz der Dunklen Materie. An den Forschungsarbeiten sind unter der Leitung von Professor Dr. Stefan Schael Wissenschaftler der RWTH Aachen und des Forschungszentrums Jülich im Rahmen der Sektion JARA-FAME maßgeblich beteiligt.

Hinweise auf neue Positronenquelle

Etwa 10 Millionen der vom Teilchendetektor AMS in den letzten 3 Jahren gemessenen 41 Milliarden Ereignisse kosmischer Strahlung wurden als Elektronen und Positronen identifiziert. Dabei hat AMS den Positronen-Anteil, das heißt das Verhältnis der Anzahl gemessener Positronen zur Gesamtsumme der Positronen und Elektronen, im Energiebereich von 0.5 bis 500 Giga-Elektronenvolt (GeV) gemessen. Ab einer Energie von 8 GeV steigt dieser Anteil rapide an und hat wie jetzt erstmals gezeigt werden konnte ein Maximum bei etwa 275 GeV. Dies deutet auf eine neue Quelle von Positronen hin.

Die präzise Messung des Positronen-Anteils könnte entscheidende Hinweise zum Verständnis des Ursprungs der Dunklen Materie liefern. Kollisionen von Teilchen der Dunklen Materie können einen Positronen-Überschuss erzeugen. Kollisionen der gewöhnlichen kosmischen Strahlung mit dem interstellaren Medium haben zur Folge, dass der Positronen-Anteil bei steigender Energie kontinuierlich abnimmt, was den heute vorgestellten Ergebnissen von AMS widerspricht.

Ein neues physikalisches Phänomen

Je nach den Eigenschaften der Dunklen Materie hat der überschüssige Positronen- Anteil eine ganz eigene Signatur. Die heute in der Fachzeitschrift Physical Review Letters veröffentlichten Ergebnisse lassen auf die Beobachtung eines neuen physikalischen Phänomens schließen. Die Ergebnisse sind mit der Existenz eines Neutralinos, eines möglichen Teilchens der Dunklen Materie, vereinbar. Um festzustellen, ob das beobachtete neue Phänomen tatsächlich auf die Existenz Dunkler Materie zurückzuführen ist oder auf andere astrophysikalische Quellen wie beispielsweise Pulsare, werden weitere Messungen mit AMS durchgeführt. Diese sollen die Rate der Abnahme des Positronen-Anteils jenseits des nun nachgewiesenen Maximums bestimmen, sowie den Anteil der Antiprotonen in der kosmischen Strahlung vermessen. Über die Ergebnisse dieser Messungen wird in Zukunft berichtet.

Große Unterschiede zwischen Elektronen und Positronen

Darüber hinaus war es dem AMS-Experiment möglich, präzise Messungen des Elektronen- und Positronen-Flusses vorzunehmen, das heißt die Intensitäten der Elektronen und Positronen in der kosmischer Strahlung zu ermitteln. Die Messungen zeigen erstmals quantitativ, wie sehr sich Elektronen und Positronen in der Energieabhänigkeit und in der Intensität des Flusses unterscheiden.

Das Verhalten des Flusses als Funktion der Energie wird durch den Spektralindex charakterisiert; erwartet wurde ein Fluss proportional zur Energie potenziert mit dem Spektralindex. Das Ergebnis zeigt, dass keiner der Flüsse mit einem konstanten Spektralindex beschrieben werden kann. Insbesondere zeigt sich im Bereich zwischen 20 und 200 GeV überraschenderweise, dass die Änderungsrate des Positronen-Flusses höher ist als die Änderungsrate des Elektronen-Flusses.

Damit wird klar, dass der Überschuss des Positronen-Anteils auf einen relativen Überschuss von hochenergetischen Positronen zurückzuführen ist wie er bei einer Kollision Dunkler Materie zu erwarten ist , und nicht auf den relativen Verlust beziehungsweise die relative Abnahme hochenergetischer Elektronen. Diese Ergebnisse werden heute in einem weiteren Beitrag in der Fachzeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht. Die Beobachtungen zu den Elektronen- und Positronen-Flüssen belegen den fundamentalen Unterschied zwischen Materie (Elektronen) und Antimaterie (Positronen).

Andere Experimente ohne einen zentralen Magneten haben im All und auf der Erde in den letzten 50 Jahren den Gesamtfluss aus Elektronen und Positronen in der kosmischen Strahlung gemessen. Einige haben in diesem Spektrum Strukturen in dem Energiebereich 300 800 GeV beobachtet, die auf neue physikalische Effekte hingewiesen haben. Die neuen Ergebnisse von AMS zeigen einen glatten Gesamtfluss und schließen damit solche Effekte bis zu einem Energiebereich von 1000 GeV aus.

Der Detektor AMS

Mit maßgeblicher Beteiligung der RWTH Aachen wurde das Alpha-Magnet-Spektrometer (AMS) entwickelt. Das sieben Tonnen schwere und 1,5 Milliarden Euro teure Instrument haben zehn Jahre lang mehr als 500 Forscher und Ingenieure aus 16 Ländern entwickelt. AMS wurde im Mai 2011 mit dem letzten Flug des Space Shuttles Endeavour zur Internationalen Raumstation gebracht. Die Wissenschaftler gehen von einer Betriebszeit bis 2024 für AMS aus. In Deutschland werden die Arbeiten durch das DLR gefördert.

Univ.-Prof. Dr. rer.nat. Stefan Schael, Inhaber des RWTH-Lehrstuhls für Experimentalphysik, koordinierte die deutschen Beiträge und hat mit seinem Team mehrere Komponenten in Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Wim de Boer, KIT, von AMS entwickelt und gebaut. Zusammen mit dem Jülich Supercomputing Centre unter Leitung von Prof. Dr. Dr. Thomas Lippert hat diese Gruppe jetzt maßgeblich zu den neuen Ergebnissen beigetragen.
Herzstück des Spektrometers ist ein Spurdetektor, der von einem ringförmigen Permanentmagneten umgeben ist. Der Magnet zwingt die durchfliegenden geladenen Teilchen auf Kreis-Bahnen, aus deren Krümmung die Wissenschaftler die elektrische Ladung der Teilchen und ihre Energie bestimmen können. Das AMS Experiment arbeitet mehrstufig und trägt an seiner Spitze den so genannten Übergangsstrahlungsdetektor, der an der RWTH Aachen gebaut und entwickelt wurde. Bei den heute vorgestellten Ergebnissen hat der Übergangsstrahlungsdetektor eine entscheidende Rolle gespielt.


Weitere Informationen erhalten Sie bei

Univ.-Prof. Dr.rer.nat. Stefan Schael
I.Physikalisches Institut
RWTH Aachen University
Telefon 0241/80-27159
E-Mail schael@physik.rwth-aachen.de
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