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Fünf Jahre AMS auf der ISS – der Aufbruch in eine neue Ära der Astroteilchenphysik - JARA - Jülich Aachen Research Alliance
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Fünf Jahre AMS auf der ISS – der Aufbruch in eine neue Ära der Astroteilchenphysik
Seit fünf Jahren umkreist das Alpha Magnet Spektrometer (AMS) jetzt in 400 Kilometern Höhe auf der Internationalen Raumstation (ISS) die Erde. Mit einer Bauzeit von 15 Jahren, Kosten von 1,5 Milliarden Dollar, einem instrumentierten Volumen von 60 Kubikmetern und einem Gewicht von sieben Tonnen ist es das größte Experiment zur Grundlagenforschung auf der Raumstation. Dieses einzigartige Messinstrument wurde mit dem letzten Flug des Space Shuttles Endeavour 2011 vom Kennedy Space Center aus auf die Reise geschickt. Seitdem hat AMS 90 Milliarden geladene Teilchen aus der kosmischen Strahlung aufgezeichnet, bevor diese in der Erdatmosphäre absorbiert wurden. Dieser 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.
Das AMS-Experiment auf der Internationalen Raumstation. Credit: Nasa
Am 8. Dezember 2016 hat der Sprecher der AMS-Kollaboration, der Nobelpreisträger Professor Samuel C. C. Ting vom Massachusetts Institute of Technology MIT, die Ergebnisse aus fünf Jahren AMS am europäischen Großforschungszentrum CERN zusammengefasst. In Deutschland sind Arbeitsgruppen der RWTH Aachen, des Karlsruher Instituts für Technologie KIT und des Forschungszentrums Jülich beteiligt. Diese Aktivitäten werden von Professor Stefan Schael, RWTH Aachen und Mitglied von JARA-FAME, koordiniert und vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt DLR gefördert.
Das Forschungszentrum Jülich und die RWTH Aachen arbeiten im Rahmen der Jülich Aachen Research Alliance (JARA) gemeinsam an dem Projekt. Für diese Gruppe werden die Analyseaktivitäten von Professor Henning Gast, Mitglied von JARA-FAME, koordiniert, die Karlsruher Gruppe wird von Dr. Iris Gebauer geleitet.
Das Verhältnis von Wasserstoff-Kernen (Protonen) zu Helium-Kernen in der kosmischen Strahlung in Abhängigkeit des Impulses der Kerne. Die Daten von AMS weichen deutlich von den Erwartungen ab. Die blaue Linie zeigt, dass dieses Verhältnis auch bei hohen Impulsen nicht unabhängig vom Impuls ist. Credit: AMS Kollaboration
Die Ergebnisse von AMS halten viele Überraschungen für die Experten bereit. Sie zeigen deutlich, dass unser Verständnis der Erzeugung, der Beschleunigung und des Transportes der kosmischen Strahlung von den Quellen bis in unser Sonnensystem zum AMS-Experiment unvollständig ist. Bisher ging man davon aus, dass diese Teilchen innerhalb unserer Galaxie in Supernova-Explosionen und schweren Sternen erzeugt und beschleunigt wurden. Die Präzision der Daten von AMS zeigt nun erstmals, in welche Richtung die bisherigen Modelle erweitert werden müssen (siehe Abbildung 2).
Ein sehr geringer Teil der kosmischen Strahlung besteht aus Antimaterie-Teilchen. Diese sind damit 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 Dunkle Materie-Teilchen 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 dieser Dunkle Materie-Teilchen am LHC-Beschleuniger am CERN in Genf.
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. Wenn das Universum aus dem Nichts durch einen Urknall entstanden ist, muss am Anfang genauso viel Materie wie Antimaterie vorhanden gewesen sein. Deshalb hat AMS in seinen Daten auch nach Antihelium-Kernen gesucht. Die Beobachtung eines einzigen Anti-Helium-Kerns in der kosmischen Strahlung würde bereits das gesamte Weltbild der modernen Physik grundlegend verändern.
Wie Professor Ting am CERN berichtete, beobachtet AMS einige Antihelium-Kandidaten, deren Masse mit 3He verträglich ist. 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. Diese Rechnungen haben mehr als zehn Millionen Stunden Rechenzeit auf einem weltweiten Netzwerk von Großrechnern in Anspruch genommen. Der Löwenanteil mit mehr als 50 Prozent wurde dabei vom Jülich Supercomputing Center des Forschungszentrums übernommen. 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 eignen 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.
Prof. Dr. Stefan Schael, RWTH Aachen, E-Mail: schael@physik.rwth-aachen.de
Auswahl von Veröffentlichungen zum AMS:
„First Result from the Alpha Magnetic Spectrometer on the International Space Station: Precision Measurement of the Positron Fraction in Primary Cosmic Rays of 0.5-350 GeV”, M. Aguilar et al., Phys. Rev. Lett. 110, 141102 (2013) (Selected as Editors’ Suggestion).
„High Statistics Measurement of the Positron Fraction in Primary Cosmic Rays of 0.5-500 GeV with the Alpha Magnetic Spectrometer on the International Space Station”, L. Accardo et al., Phys. Rev. Lett. 113, 121101 (2014) (Selected as Editors’ Suggestion).
„Electron and Positron Fluxes in Primary Cosmic Rays Measured with the Alpha Magnetic Spectrometer on the International Space Station”, M. Aguilar et al., Phys. Rev. Lett. 113, 121102 (2014) (Selected as Editors’ Suggestion).
„Precision Measurement of the (e+ + e-) Flux in Primary Cosmic Rays from 0.5 GeV to 1 TeV with the Alpha Magnetic Spectrometer on the International Space Station”, M. Aguilar et al., Phys. Rev. Lett. 113, 221102 (2014).
„Precision Measurement of the Proton Flux in Primary Cosmic Rays from Rigidity 1 GV to 1.8 TV with the Alpha Magnetic Spectrometer on the International Space Station”, M. Aguilar et al., Phys. Rev. Lett. 114, 171103 (2015) (Selected as Editors’ Suggestion).
„Precision Measurement of the Helium Flux in Primary Cosmic Rays of Rigidities 1.9 GV to 3 TV with the Alpha Magnetic Spectrometer on the International Space Station”, M. Aguilar et al., Phys. Rev. Lett., 115, 211101 (2015) (Selected as Editors’ Suggestion).
„Antiproton Flux, Antiproton-to-Proton Flux Ratio, and Properties of Elementary Particle Fluxes in Primary Cosmic Rays Measured with the Alpha Magnetic Spectrometer on the International Space Station”, M. Aguilar et al., Phys. Rev. Lett., 117, 091013 (2016).
„Precision Measurement of the Boron to Carbon Flux Ratio in Cosmic Rays from 1.9 GV to 2.6 TV with the Alpha Magnetic Spectrometer on the International Space Station”, M. Aguilar et al., Phys. Rev. Lett., 117, 231102 (2016) (Selected as Editors’ Suggestion).