Irgendwo weit weg im Universum platzt ein Stern und eine Kaskade beginnt.
Energie und kleine Materiestücke rasen in alle Richtungen von der blühenden Supernova weg. Sie treffen auf Planeten und andere Sterne und stürzen in interstellare Medien, und ein kleiner Teil von ihnen erreicht die Erde.
Dies sind primäre kosmische Strahlen, die Lichtstrahlen und gespenstischen subatomaren Teilchen, sogenannte Neutrinos, die Wissenschaftler mit feinen Teleskopen und einem seltsamen, noch unter dem Eis des Südpols vergrabenen Detektor erkennen. Sie kommen in einem Strom aus allen Richtungen gleichzeitig an, während Sterne im ganzen Universum sterben.
Aber sie sind nicht die einzigen kosmischen Strahlen. Es gibt einen anderen Typ, der schwieriger zu erkennen und mysteriös ist.
Wenn primäre kosmische Strahlen mit interstellaren Medien kollidieren - dem unbekannten, unsichtbaren Material zwischen Sternen -, werden diese Medien lebendig und senden ihre eigenen Ströme geladener Teilchen in den Weltraum, sagte Samuel Ting, Professor für Physik am Massachusetts Institute of Technology, der gewann 1976 den Nobelpreis für die Entdeckung des ersten einer seltsamen neuen Klasse von Teilchen, die sowohl aus Materie- als auch aus Antimaterie-Quarks bestehen.
Und in einem neuen Artikel, der am 11. Januar in der Zeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht wurde, haben Ting und seine Kollegen weiter dargelegt, was diese Partikel sind und wie sie sich verhalten. Insbesondere beschrieben die Forscher die Ladungen und Spektren von Partikeln aus Lithium-, Beryllium- und Borkernen, die in die Erdatmosphäre gelangen - aufbauend auf früheren Ergebnissen, die die Ladungen und Spektren von Helium-, Kohlenstoff- und Sauerstoffstrahlen beschreiben.
"Um diese zu untersuchen, muss ein magnetisches Gerät in den Weltraum gebracht werden, da am Boden geladene kosmische Strahlen von den 100 Kilometern Atmosphäre absorbiert werden", sagte Ting gegenüber Live Science.
Die Ergebnisse dieses Papiers sind der Höhepunkt von mehr als zwei Jahrzehnten Arbeit, die auf ein Treffen im Mai 1994 zurückgehen, als Ting und mehrere andere Physiker Daniel Goldin, den damaligen Administrator der NASA, besuchten. Das Ziel: Goldin davon zu überzeugen, einen Magneten auf die Internationale Raumstation (ISS) zu setzen, die 1998 vier Jahre später mit dem Bau beginnen sollte. Ohne einen Magneten würden die kosmischen Teilchen einfach alle Detektoren in einer geraden Linie passieren und Nein geben Informationen über ihre Eigenschaften, sagte Ting.
Goldin "hörte aufmerksam zu", sagte Ting. "Er sagte, dies sei eine gute Experimentieridee für die Raumstation. Aber niemand hat jemals einen Magneten in den Weltraum gebracht, weil ein Magnet im Weltraum - weil er mit dem Erdmagnetfeld interagiert - ein Drehmoment erzeugt und die Raumstation die Kontrolle verliert Es ist wie ein Magnetkompass. "
Um zu vermeiden, dass die ISS vom Himmel verdreht wird, bauten Ting und seine Mitarbeiter das Alpha Magnetic Spectrometer (AMS): einen Partikeldetektor, der genauso präzise ist wie bei Fermilab und CERN, jedoch miniaturisiert und in einem hohlen Magnetrohr platziert. Kritisch gesehen haben die beiden Hälften der Röhre eine umgekehrte Polarität, so dass sie die Raumstation in entgegengesetzte Richtungen drehen und sich gegenseitig aufheben, sagte Ting.
Im Jahr 2011 fuhr das AMS mit dem Space Shuttle Endeavour, der vorletzten Mission dieses Flugzeugs, in den Weltraum. Und während eines Großteils des letzten Jahrzehnts hat das AMS 100 Milliarden kosmische Strahlen stillschweigend erfasst.
Letztendlich hoffen Ting und sein Team, diese Daten zu verwenden, um sehr spezifische Fragen über das Universum zu beantworten, sagte er. (Es kann jedoch auch allgemeinere Fragen beantworten, z. B. welche Partikel Astronauten auf ihrem Weg zum Mars treffen können.)
"Die Leute sagen 'interstellare Medien'. Was sind interstellare Medien? Was ist das Eigentum? Niemand weiß es wirklich", sagte Ting. "Neunzig Prozent der Materie im Universum können Sie nicht sehen. Und deshalb nennen Sie es dunkle Materie. Und die Frage ist: Was ist dunkle Materie? Um dies zu tun, müssen Sie Positronen, Antiprotonen und Anti sehr genau messen -Helium und all diese Dinge. "
Ting sagte, dass er durch sorgfältige Messungen der Materie und der Antimaterie, die in sekundären kosmischen Strahlen ankommen, den Theoretikern die Werkzeuge anbieten möchte, die zur Beschreibung der unsichtbaren Materie im Universum erforderlich sind - und durch diese Beschreibung herauszufinden, warum das Universum aus Materie besteht alle und nicht Antimaterie. Viele Physiker, einschließlich Ting, glauben, dass dunkle Materie der Schlüssel zur Lösung dieses Problems sein könnte.
"Am Anfang muss es eine gleiche Menge an Materie und Antimaterie geben. Also die Fragen: Warum besteht das Universum nicht aus Antimaterie? Was ist passiert? Gibt es Anti-Helium? Anti-Kohlenstoff? Anti-Sauerstoff? Wo sind sie?"
Live Science wandte sich an eine Reihe von Theoretikern, die an dunkler Materie arbeiteten, um Tings Arbeit und dieses Papier zu diskutieren, und viele warnten, dass die Ergebnisse von AMS noch nicht viel Licht in das Thema gebracht haben - vor allem, weil das Instrument die Raumfahrt noch nicht genau gemessen hat Antimaterie (obwohl es einige vielversprechende frühe Ergebnisse gab).
"Wie sich kosmische Strahlen bilden und ausbreiten, ist ein faszinierendes und wichtiges Problem, das uns helfen kann, das interstellare Medium und möglicherweise sogar hochenergetische Explosionen in anderen Galaxien zu verstehen", schrieb Katie Mack, Astrophysikerin an der North Carolina State University, in einer E-Mail und fügte hinzu dass AMS ein kritischer Teil dieses Projekts ist.
Es ist möglich, dass AMS signifikantere, verifizierte Antimaterieergebnisse liefert, sagte Mack, oder dass Materiedetektionen - wie die in diesem Artikel beschriebenen - Forschern helfen werden, Fragen zur Dunklen Materie zu beantworten. Aber das ist noch nicht geschehen. "Aber für die Suche nach dunkler Materie", sagte sie zu Live Science, "ist das Wichtigste, was das Experiment über Antimaterie sagen kann, denn es ist dunkle Materie, die sich in Materie-Antimaterie-Paare vernichtet Schlüsselsignal gesucht. "
Ting sagte, das Projekt komme dorthin.
"Wir messen Positronen. Und das Spektrum ähnelt sehr dem theoretischen Spektrum der Dunklen Materie. Aber wir brauchen mehr Statistiken, um dies zu bestätigen, und die Rate ist sehr niedrig. Wir müssen also nur ein paar Jahre warten", sagte Ting.
