Fünf Jahre AMS auf der Internationalen Raumstation

  • 12. December 2016

Aufbruch in eine neue Ära der Astro­teil­chen­physik.

Seit fünf Jahren umkreist das Alpha Magnet Spektrometer AMS auf der Inter­natio­nalen Raum­station ISS die Erde. Mit einer Bauzeit von 15 Jahren, Kosten von 1,5 Milli­arden Dollar, einem instru­men­tierten Volumen von sechzig Kubik­metern und einem Gewicht von sieben Tonnen ist es das größte Experi­ment zur Grund­lagen­forschung auf der Raum­station.

AMS-Ergebnisse

Abb.: Das Verhältnis von Wasserstoff-Kernen (Protonen) zu Helium-Kernen in der kos­mischen Strah­lung in Abhän­gig­keit des Impulses der Kerne. (Bild: AMS Coll.)

Das einzigartige Messinstrument wurde mit dem letzten Flug des Space Shuttles Endea­vour 2011 vom Kennedy Space Center aus auf die Reise geschickt. Seitdem hat AMS neunzig Milli­arden geladene Teilchen aus der kosmi­schen Strahlung aufge­zeichnet. Der einzig­artige Daten­satz mit einer Mess­genauig­keit auf Prozent­niveau erlaubt Rück­schlüsse auf die höchst­energe­tischen Prozesse in unserer Galaxie und liefert damit auch Hinweise auf die Ant­worten zu den großen Fragen der modernen Physik.

Die Ergebnisse von AMS halten viele Überraschungen für die Experten bereit. Sie zeigen deutlich, dass das Verständnis der Erzeu­gung, der Beschleu­ni­gung und des Trans­portes der kosmi­schen Strah­lung von den Quellen bis in unser Sonnen­system unvoll­ständig ist. Bisher ging man davon aus, dass die Teil­chen inner­halb unserer Galaxie in Super­nova-Explo­sionen und masse­reichen Sternen erzeugt und beschleu­nigt wurden. Die Präzi­sion der Daten von AMS zeigt nun erst­mals, in welche Richtung die bishe­rigen Modelle erwei­tert werden müssen.

Ein sehr geringer Teil der kosmischen Strahlung besteht aus Anti­teilchen. Diese sind besonders empfind­liche Proben für neue und uner­wartete Prozesse. AMS beob­achtet bei hohen Energien sowohl mehr Posi­tronen als auch mehr Anti­pro­tonen als erwartet wurden. Die Wechsel­wirkungen von Teil­chen der dunklen Materie in unserer Galaxie könnte beides erklären. Doch um sich dabei sicher zu sein, bräuchte es eine unab­hängige Bestä­tigung dieser Inter­pre­tation mit anderen Ansätzen, wie zum Beispiel der Nach­weis der Pro­duk­tion solcher Teil­chen am LHC.

Helium ist nach Wasserstoff das zweithäufigste Element im Uni­versum. AMS hat in den letzten fünf Jahren 3,7 Milli­arden Helium-Ereig­nisse aufge­zeichnet. Zu den großen offenen Fragen der Physik gehört die Frage, warum wir kein Anti­helium im Uni­versum beob­achten. Die Beob­achtung eines einzigen Anti-Helium-Kerns in der kosmischen Strah­lung würde bereits das gesamte Welt­bild der modernen Physik grund­legend ver­ändern. AMS hat zwar einige Anti­helium-Kandi­daten, deren Masse mit 3He verträg­lich ist, beob­achtet. Aller­dings ist die Rate dieser Ereig­nisse so niedrig, dass AMS bisher nur mit Hilfe von auf­wän­digen Computer­simu­la­tionen die Frage unter­suchen konnte, ob diese wenigen Ereig­nisse nicht auch auf andere Ursachen zurück­ge­führt werden können. In diesen Simu­la­tionen findet sich keine Er­klärung für die beob­achteten Anti­helium-Kandi­daten. Aber Computer­simu­la­tionen sind immer nur eine An­nähe­rung an die Wirk­lich­keit. Deshalb gehört es zu den Priori­täten der AMS-Kolla­bo­ration, Methoden zu ent­wickeln, um dieses Ergebnis alleine an Hand der eigenen Mess­daten zu veri­fi­zieren.

Die Präzision der AMS-Daten hat viele wichtige neue Erkennt­nisse geliefert und damit eine neue Ära in diesem Gebiet der Physik einge­läutet. Wie immer, wenn Neu­land in der Grund­lagen­forschung betreten wird, werfen die Ergeb­nisse auch Fragen auf, die erst durch die neuen Resul­tate möglich werden. AMS wird bis zum Ende der Lebens­dauer der Inter­natio­nalen Raum­station fort­fahren, die kosmische Strah­lung mit bisher uner­reichter Präzi­sion zu ver­messen.

RWTH / KIT / FZ Jülich / RK

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