PAMELA auf der Suche nach Dunkler Materie

Ein Magnetspektrometer soll den geheimnisvollen Teilchen der Dunklen Materie auf die Spur kommen

In einem Jahr wird PAMELA mit einer russischen Sojus-Rakete in eine polare Erdumlaufbahn gebracht.

Dunkle Materie (dark matter) ist momentan die größte Herausforderung der Astrophysik. Angefangen hat alles 1933 mit dem Schweizer Astrophysiker Fritz Zwicky, der feststellte, dass im beobachteten Coma-Galaxiehaufen nicht genug sichtbare Galaxien bzw. Sterne vorhanden sind, um ihre Bewegungen aufgrund der Gravitation erklären zu können. Also musste da noch etwas sein und zwar eine unsichtbare, unbekannte Form von Masse: die Dunkle Materie. Sie ist eine Materiekomponente, die nicht sichtbar ist, weder mit optischen Teleskopen, noch im Radio- oder Röntgenbereich.

Inzwischen gehen die Wissenschaftler davon aus, dass nur 5% des Universums aus Planeten, Sternen sowie Gasen besteht und die anderen 95% aus Dunkler Materie, die nur als Gravitationswechselwirkung beobachtet werden kann (Unser Universum ist eine sehr seltsame Mischung). Prof. Dr. Harald Lesch von der theoretischen Astrophysik der Universität München bezeichnete sie als "absolute Katastrophe" für die Astrophysik, denn: "Von der Dunklen Materie hingegen wissen wir nur, dass es davon eine irrsinnige Menge gibt. Wir haben jedoch überhaupt keine Ahnung, aus was sie besteht." ("Dunkle Materie ist für die Astrophysik die absolute Katastrophe")

Das internationale Team des PAMELA-Experiments will jetzt die unbekannten Teilchen der Dunklen Materie aufspüren. Insgesamt 15 wissenschaftliche Institute aus Italien, Russland, Indien, den USA, Schweden und Deutschland sind an dem Satellitenprojekt beteiligt.

Dunkle Materie ist nur durch ihre Gravitationskraft erkennbar, sie tritt ansonsten weder mit Licht noch mit anderer Materie in Wechselwirkung. Die Elemantarteilchen-Physik beschäftigt sich mir der Wechselwirkung von Teilchen und dem Austausch von Kräften. Aus ihren Erkenntnissen resultierte die Theorie, dass es sich möglicherweise um massereiche Teilchen handeln könnte, die jedoch nur sehr schwach mit dem Rest der Welt kommunizieren. Das sind die "WIMP"-Teilchen (weakly interacting massive particles).

Im vergangenen Jahr wurde nach den DAMA-Experimenten in Italien (The American Institute of Physics Bulletin of Physics News, February 24, 2000) heftig über den Nachweis von WIMPs diskutiert. Auch das internationale Projekt CRESST (Cryogenic Rare Event Search with Superconducting Thermometers) sucht mit Tiefsttemperatur-Detektoren nach diesen Teilchen, ebenso CDMS (Cryogenic Dark Matter Search).

Dunkle Materie sendet keine elektromagnetische Strahlung aus. Die Astrophysik geht davon aus, dass baryonische und nicht-baryonische Materie anteilig die Dunkle Materie ausmachen. Baryonische Materie besteht aus den Elementarteilchen der Atome (Protonen, Neutronen und Elektronen), d.h. aus den gleichen Bausteinen wie die bekannten Sterne und Planeten. Dunkle Materie setzt sich teilweise (30-35%) aus gestorbenen Sternen (kalte Braune oder Weiße Zwerge, Pulsare etc.) und Planeten zusammen. Schwarze Löcher (Gefräßige Bestien im Weltall) sind ebenfalls Kandidaten für Anteile an der baryonischen Dunklen Materie. Nach den so genannten MACHOs (Massive Kompakte Halo Objekte) wird intensiv geforscht. Diese Himmelskörper haben eine deutlich geringere Masse als unsere Sonne und folglich eine erheblich geringere Leuchtkraft. Dadurch sind sie praktisch unsichtbar. Im März berichtete ein Forscherteam u.a. von der Astronomie der University of California in Berkeley), dass sie am südlichen Himmel 38 schwach leuchtende Weiße Zwerge, d.h. sterbende, schon stark abgekühlte Sterne, gefunden haben. Sie sind überzeugt, mit diesen weißen Zwergen ein Stück dunkler Materie entdeckt zu haben.

Der sehr viel seltsamere Anteil ist die nicht-baryonische Materie, die einen Anteil von 65-70% der Dunklen Materie stellt. Wahrscheinlich besteht sie aus den WIMPs, also schwach wechselwirkenden massiven Teilchen. Derartige Teilchen sind die so genannten "Neutralinos" "Photinos'' oder "Axionen'', nach denen in ein paar Jahren auch das TESLA-Projekt (Tera Electron Volt Energy Superconducting Linear Accelerator) suchen wird, denn sie sind Voraussagen der Supersymmetrie, die eine der neuesten Theorien der theoretischen Physik ist. Allerdings hat bisher keiner Neutralinos, Photinos oder Axionen im Labor gefunden, sie sind noch reine Theorie.

WIMPs ähneln in ihrem Verhalten Teilchen, die die Physik bereits kennt: den Neutrinos. Das Neutrino ist aber masselos bzw. besitzt nur eine sehr kleine Masse, so dass es für die Dunkle Materie nicht verantwortlich sein kann. WIMP-Teilchen aufzuspüren, könnte durch die Wechselwirkung mit ihren Anti-Teilchen gelingen. Deren Existenz erlaubt die Elementarteilchenphysik und sie sind bei den bisher bekannten Elementarteilchen vorhanden. So ist z.B. das Antiproton das Anti-Teilchen des Protons oder das Positron das Anti-Teilchen des Elektrons. Wenn diese beiden Teilchen sich nahe kommen, wird ihre Masse in Energie verwandelt. Die Wissenschaftler vermuten, dass wenn WIMP-Teilchen mit ihren Antiteilchen in Berührung kommen, ähnliche Prozesse zu erwarten sind. Die Folge wäre z.B. die Produktion von Antiprotonen wie auch Positronen, die dann vermehrt in der galaktischen Teilchenstrahlung zu finden sein sollten. Das PAMELA-Experiment ist speziell darauf ausgerichtet, nach diesen Antiprotonen und Positronen zu suchen.

PAMELA hat einen Magnetspektrometer, der es ihr erlaubt, die Energie und die Häufigkeit der aus dem Weltraum einfallenden hochenergetischen kosmischen Antiprotonen wie Positronen präzise zu vermessen. Das PAMELA-Experiment wird gerade in Rom aufgebaut und für den Flug von Baikonur aus per Sojus-Rakete in den Weltraum vorbereitet. PAMELA wird auf den Resurs-DK1 Satelliten montiert, der in einer Umlaufbahn zwischen 300 und 600 Km die Erde umkreisen wird. Über einen Zeitraum von über drei Jahren sollen dann wissenschaftliche Daten zur Erde gesendet werden