Auf der Suche nach dunklen Gestalten

Das Forschungsprojekt wegen dem ich nach Hawaii gekommen bin, beschäftigt sich mit dunkler Materie. Viele Forscher vertreten die Ansicht, dass es diese geben muss, ein Nachweis ist bisher aber noch nicht gelungen. Um den dunklen Gestalten auf die Spur zu kommen, muss man sich zunächst fragen, wie diese dunkle Materie eigentlich aussehen soll.

Auf diese Frage haben unzählige theoretische Physiker unterschiedliche Antworten gefunden. Es gibt viele verschiedene Modelle und postulierte dunkle Materie Teilchen. Zahlreiche Modelle gehen davon aus, dass beim Zerfall von dunkler Materie Antimaterie entsteht. Antiteilchen konnten sowohl in kosmischer Strahlung und in Teilchenbeschleunigern nachgewiesen werden, die Detektion erfolgt nach den gleichen Prinzipien wie für gewöhnliche Materie. Diese Tatsache machen sich Experimente zu Nutze, die auf indirektem Weg nach dunkler Materie suchen. Diese Suche ist erfolgreich, wenn sehr viel mehr Antiteilchen gemessen werden, als in bisherigen Modellen des Weltalls ohne dunkle Materie vorhergesagt wird.

Ein Beispiel für ein solches Experiment ist AMS-02 an Bord der ISS. Dieses Experiment im Weltall hat den Vorteil, dass die Teilchen und Antiteilchen vermessen werden können, bevor sie mit den Teilchen der Atmosphäre zusammenstoßen und dadurch zerfallen oder an Energie verlieren. Problematisch ist allerdings, dass die Größe des Experiments stark limitiert ist und daher nur Teilchen gemessen werden können, die verhältnismäßig häufig vorkommen oder man eine sehr lange Zeit (ein paar Jahre oder Jahrzehnte) warten muss, bis ein bestimmtes Event eintritt. 

Im Fall der Arbeitsgruppe, in der ich aktuell forsche, sind das Antideuteronen. Ein Antideuteron ist ein Isotop des Antiwasserstoffs, das neben dem Antiproton noch ein Antineutron besitzt. Man erhofft sich gerade mit diesen Antiteilchen ein Signal dunkler Materie zu entdecken, da bei diesen der kosmische Hintergrund, also alles was an Signal gemessen wird, aber nicht aus dunkle Materie Quellen stammt, sehr viel geringer ist als bei Antiprotonen. 

Um allerdings zu wissen, ob tatsächlich ein dunkle Materie Signal gemessen wird, muss man diesen kosmischen Hintergrund kennen. Eine Messung des Hintergrundsignals ist leider nicht möglich, schließlich haben wir kein Referenzuniversum zur Hand. Also muss es berechnet werden. Und hier kommt meine Arbeit ins Spiel.

Das Antimaterie Hintergrundsignal entsteht durch Kollisionen von Protonen aus ursprünglicher kosmischer Strahlung mit dem interstellaren Medium, ebenfalls hauptsächlich Protonen.

Mit Hilfe eines Supercomputers simuliere ich viele hundert Millionen von Protonenkollisionen und bestimme wie viele Antiteilchen dabei entstehen und was für ein Energiespektrum diese aufweisen. Als Grundlage für diese Simulationen nutze ich experimentelle Daten eines Experiments am CERN, in dem die Antiteilchenproduktion in Proton-Proton-Kollisionen vermessen wird.

Neben der Produktion der Antiteilchen, muss auch noch berücksichtigt werden, was mit den Antiteilchen auf dem Weg zum Detektor durch unsere Galaxie passiert und mit welcher Effizienz diese dort detektiert werden.

Nach all diesen Rechnungen und Simulationen kann ich dann hoffentlich etwas mehr über das erwartete Hintergrundsignal und dessen Genauigkeit für Antideuteronen und weitere leichte Antikerne sagen und somit einen winzigen Teil zur Suche nach dunkler Materie beitragen.