Jäger der verlorenen Materie

Spiegel- und Antiwelten beschäftigen nicht nur Märchen- und SF-Autoren, sondern auch Physiker. Schließlich gibt es zu jedem Teilchen ein Antiteilchen mit genau denselben Eigenschaften, jedoch umgekehrter Ladung - Teilchen, die Physiker experimentell erzeugen und nachweisen können.

In den ersten Sekundenbruchteilen des Urknalls wurden gemäß der gängigen Kosmologie Materie und Antimaterie gleichermaßen gebildet. Treffen Teilchen und Antiteilchen aufeinander, "annihilieren" sie sich, wobei Energie freigesetzt wird. Doch das Universum endete nicht in einem unvorstellbar großen Energieblitz. Eine winzige Störung bewirkte, dass es einen sehr geringen Materieüberschuss gab, eine Milliarde plus ein Teilchen auf eine Milliarde Antiteilchen. Dieser Überschuss, der nicht vernichtet wurde, stellt die Materie dar, die heute im Universum beobachtbar ist.

Soweit das derzeit allgemein akzeptierte Modell. Ist ein anderes Szenario vorstellbar? Gibt es im Universum andere Welten, ganze Galaxien aus Antimaterie? Sind sie ein Überbleibsel aus der Anfangszeit des Universums oder auf andere Weise entstanden? Die Forscher wissen es nicht. Nur so viel ist klar: Es gibt sie - die Antiteilchen, und sie entstehen bei bestimmten hochenergetischen physikalischen Prozessen im Universum.

Solche Antiteilchen nachzuweisen und ihre Eigenschaften zu untersuchen ist das Ziel einer neuen italienisch-deutsch-schwedisch-russischen Raumfahrtmission, die vor kurzem begann: PAMELA, ein Akronym für "Payload for Antimatter Matter Exploration and Light-Nuclei Astrophysics". Von Astrophysikern euphorisch begrüßt, von der breiten Öffentlichkeit kaum wahrgenommen, startete der PAMELA-Satellit am 15. Juni mit einer russischen Sojus-Rakete vom Weltraumbahnhof Baikonur aus ins All und wurde auf eine elliptische Umlaufbahn von etwa 350 x 600 Kilometer Höhe gebracht. PAMELA ist jedoch kein autonomer Satellit, sondern an den russischen Erderkundungssatelliten Resurs DK-1 anmontiert und fliegt gewissermaßen als Huckepack-Nutzlast mit.

An Bord hat PAMELA fünf Messinstrumente, darunter ein Magnetspektrometer und ein Kalorimeter, mit denen unter anderem Ladung, Ladungsvorzeichen, Impuls und Masse einfallender Teilchen gemessen werden können. Der deutsche Beitrag zur Mission stammt dabei von Physikern der Universität Siegen. Sie bauten Teile des Magnetspektrometers und arbeiten an der Datenauswertung mit.

Die Forscher interessieren sich vor allem für hochenergetische Teilchen und Antiteilchen der kosmischen Strahlung aus den Tiefen des Weltalls. Die trifft kontinuierlich auf das Sonnensystem und macht einen wesentlichen Teil der natürlichen Radioaktivität auf der Erde aus. Die Strahlung besteht größtenteils aus einzelnen Protonen, also Atomkernen des Wasserstoffs, aber auch aus Atomkernen schwererer Elemente und anderen Teilchen wie Elektronen. In viel geringerem Maße enthält die Strahlung auch Antiteilchen. Letztere bilden sich zum Beispiel, wenn hochenergetische Protonen mit Atomen und Molekülen des interstellaren Gases kollidieren.

Der überwiegende Teil der kosmischen Strahlung stammt aus unserer Milchstraße: vermutlich aus Supernovae, den Explosionen sehr massereicher Sterne, oder aus Objekten wie Pulsaren – kleinen, extrem dichten, sehr schnell rotierenden Überresten eines explodierten Riesensterns. Doch es gibt auch Teilchen, deren Energie so hoch ist, daß kein bekanntes kosmisches Objekt als "Erzeuger" in Frage kommt. Ihre Energie entspricht der eines Tennisballs, der von einem Weltklassespieler übers Netz geschlagen wird - konzentriert auf ein einziges Proton.

Interessant sind solche Teilchen und Antiteilchen für Astrophysiker nicht nur, weil ihre Erforschung Rückschlüsse auf die Natur bestimmter Objekte oder physikalischer Prozesse im Kosmos zulassen. Ihre Untersuchung könnte auch dazu beitragen, dass Fehler und Widersprüche in den kosmologischen Theorien geklärt werden. "Letztlich ist es ein Rätsel, warum unsere Welt so ist, wie sie ist", sagt der Astrophysiker Manfred Simon von der Universität Siegen, der auf deutscher Seite die PAMELA-Mission leitet. "Trotz vieler kluger Überlegungen wissen wir einfach nicht, wie das Universum entstanden ist und warum es beispielsweise Materie gibt."

Die Erforschung hochenergetischer Materie und Antimaterie ist nicht PAMELAs einzige Aufgabe. Die Projektwissenschaftler hoffen, dass der Satellit auch Daten sammelt, die irgendetwas über die Natur der "dunklen Materie" aussagen. Und damit gehen sie eines der größten Mysterien der Astrophysik an.

Nur über rund vier Prozent des Universums íst bisher überhaupt irgendetwas bekannt - soviel beträgt der Anteil gewöhnlicher, "baryonischer" Materie (Atome bzw. ihre Bausteine), aus denen die Erde, das Sonnensystem und alle bislang beobachtbaren Objekte im Universum bestehen. Der Rest, 96 Prozent, ist unbekannt. Knapp drei Viertel des Universums, so die Rechnung auf der Basis der gegenwärtigen Kosmologie, sind etwas, dem die Astrophysiker den Namen "dunkle Energie" gegeben haben. Keiner wagt auch nur die geringste Spekulation über ihre Natur, nur in einem sind sich die Theoretiker sicher: Es muss diese dunkle Energie geben, sonst könnte das Universum nicht expandieren. Das aber tut es.

Die restlichen 23 Prozent tragen den Namen "dunkle Materie". Auch über sie ist nichts bekannt. Doch sie muss es aus einem einfachen Grund geben: Die Gravitationskraft der beobachtbaren baryonischen Materie allein reicht nicht aus, um Großstrukturen im Universum wie Galaxien zusammenzuhalten. Gäbe es beispielsweise in der Milchstraße nur die Objekte, die Astronomen direkt oder indirekt beobachten können (wie Sterne, Gas- und Staubwolken oder schwarze Löcher), so wäre sie längst auseinandergedriftet. Doch eine unbekannte Materie, die nicht strahlt, sondern nur gravitativ wechselwirkt, hält unsere Galaxie (wie auch alle anderen) zusammen.

Theoretiker haben verschiedene Überlegungen dazu angestellt, woraus die dunkle Materie bestehen könnte. Die gängigste ist, dass sie aus so genannten WIMPs (Weakly Interacting Massive Particle) besteht, schwach wechselwirkende massive Teilchen, die nicht elektromagnetisch, sondern nur gravitativ in Erscheinung treten und deshalb mit herkömmlichen Teleskopen auch nicht beobachtbar sind.

Mit einem Indizienverfahren könnte PAMELA zumindest einen Hinweis dafür liefern, dass diese Teilchen existieren. Sollte es sie - und ihre Antiteilchen, die AntiWIMPs - geben, dann vernichten sie sich bei einem Aufeinandertreffen mit der Folge eines "Sekundärteilchenschauers": Es entstehen u.a. hochenergetische Photonen (Gammaphotonen), Protonen und Antiprotonen, Elektronen und Antielektronen (Positronen). Diesen Teilchenschauer könnten die Messinstrumente von PAMELA registrieren.

Die Forscher sind allerdings sehr skeptisch, ob PAMELA Hinweise auf die dunkle Materie finden wird. "Man sollte die Hoffnungen nicht zu hoch schrauben", sagt Claus Grupen, Astrophysiker der Universität Siegen. "Und selbst wenn wir etwas finden, dann wird es ein kompliziertes Puzzlespiel, weil die Indizienkette sehr gewagt ist."

Auch Manfred Simon hielte es für "sensationell", wenn PAMELA Hinweise auf dunkle Materie liefern würde. "Aber eine geringe Wahrscheinlichkeit befreit uns nicht von der Verpflichtung zu suchen. Und immerhin ist PAMELA derzeit das beste Gerät, was wir weltweit in diesem Bereich der Astrophysik zu bieten haben." (nbo)