Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Neue Erkenntnisse zur kosmischen Strahlung

22.09.2014

Die neuesten Ergebnisse der Messung hochenergetischer Teilchen mit dem Detektor AMS auf der Internationalen Raumstation ISS vertiefen das Verständnis des Ursprungs und der Natur der kosmischen Strahlung.

An dem Experiment ist eine Nachwuchsgruppe des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) unter Leitung von Dr. Iris Gebauer maßgeblich beteiligt: Sie wirkte federführend bei der Messung des Gesamtflusses von Elektronen und Positronen mit. Der Sprecher des AMS-Projekts, Professor Samuel C. C. Ting, stellte die Ergebnisse nun am Forschungszentrum CERN vor.Energiereiche Teilchen, welche die Erde erreichen, liefern wichtige Informationen über das Universum. Um die ursprüngliche Zusammensetzung und Energie dieser Teilchen zu bestimmen, ist es erforderlich, sie mit einem Detektor außerhalb der Atmosphäre zu vermessen. Dies ist die Aufgabe des Teilchendetektors AMS (Alpha-Magnet-Spektrometer), der im Mai 2011 auf der Internationalen Raumstation ISS installiert wurde.


Der Detektor AMS (Alpha-Magnet-Spektrometer) auf der Internationalen Raumstation ISS. Mit diesem Teilchendetektor erforschen Wissenschaftler Ursprung und Natur der kosmischen Strahlung.

Foto: NASA

Entwickelt und gebaut wurde der Teilchendetektor von mehr als 500 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern aus 16 Ländern. Das AMS-Instrument verfügt über einen Spurdetektor, der von einem ringförmigen Permanentmagneten umgeben ist. Dieser Magnet zwingt die durchfliegenden geladenen Teilchen auf Kreisbahnen, aus deren Krümmung die Wissenschaftler die elektrische Ladung der Teilchen und ihre Energie bestimmen können.

Forscher des Instituts für Experimentelle Kernphysik (IEKP) des KIT wirkten unter Leitung von Professor Wim de Boer bei der Entwicklung und Konstruktion mehrerer Komponenten des Detektors AMS mit. Zur Analyse der Daten richtete das KIT 2011 die Young Investigator Group (YIG) „Cosmic Ray Transport Models for Dark Matter Searches with AMS-02“ unter der Leitung von Dr. Iris Gebauer ein. Die YIG hat die Messung des Gesamtflusses von Elektronen – negativ geladenen Elementarteilchen – und Positronen – Antiteilchen der Elektronen mit entgegengesetzter Ladung – federführend vorgenommen.

Die nun vom AMS-Projektsprecher Professor Samuel C. C. Ting vorgestellten Ergebnisse basieren auf rund 41 Milliarden Ereignissen, die mit dem Detektor AMS in den vergangenen drei Jahren aufgezeichnet wurden. Rund zehn Millionen davon wurden als Elektronen und Positronen identifiziert. Dabei hat der Detektor AMS den Positronen-Anteil, das heißt das Verhältnis der Anzahl gemessener Positronen zur Gesamtsumme der Positronen und Elektronen, im Energiebereich von 0.5 bis 500 Giga-Elektronenvolt (GeV) gemessen.

Ab einer Energie von acht GeV steigt dieser Anteil rasch an. Wie nun erstmals gezeigt, erreicht er bei etwa 275 GeV ein Maximum, jenseits davon fällt der Positronen-Anteil wieder ab. Dies deutet auf eine neue Quelle von Positronen hin. „Kollisionen von Teilchen der Dunklen Materie können einen Positronen-Überschuss erzeugen“, erklärt Dr. Iris Gebauer vom KIT: „Allerdings könnten die Positronen auch von astrophysikalischen Punktquellen kommen, beispielsweise von Pulsaren, das heißt schnell rotierenden Neutronensternen.“

Zudem nahmen die Forscher mit dem Teilchendetektor AMS präzise Messungen des Elektronen- und Positronen-Flusses vor, das heißt, sie ermittelten die Intensitäten der Elektronen und Positronen in der kosmischen Strahlung. Die Messungen zeigten erstmals quantitativ, wie sehr sich Elektronen und Positronen in der Energieabhängigkeit und in der Intensität des Flusses unterscheiden.

Im Bereich zwischen 20 und 200 GeV ergab sich überraschenderweise, dass die Änderungsrate des Positronen-Flusses höher ist als die Änderungsrate des Elektronen-Flusses. Damit wird klar, dass der Überschuss des Positronen-Anteils auf einen relativen Überschuss von hochenergetischen Positronen zurückzuführen ist – wie er von Pulsaren oder bei der Kollision Dunkler Materie zu erwarten ist –, und nicht auf den relativen Verlust beziehungsweise die relative Abnahme hochenergetischer Elektronen. Die Beobachtungen belegen den fundamentalen Unterschied zwischen Elektronen und Positronen, das heißt Materie und Antimaterie.

Die Messung des Summenflusses von Elektronen und Positronen mit dem Teilchendetektor AMS, welche die YIG von Dr. Iris Gebauer mit Beteiligung von Wissenschaftlern des Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) in Perugia/Italien vornahm, gibt die Gesamtintensität beider Teilchenarten an. „Sie ist die bisher präziseste Messung des Elektronen- und Positronen-Flusses und bestimmt den Fluss der Strahlung bis zu Energien von 1000 GeV mit höchster Genauigkeit“, berichtet Gebauer. „Verglichen mit der Messung des Positronen-Flusses, bedeutet dies eine Verdopplung des Energiebereichs.“

Die Forscher können nun mit einem vier Meter großen Präzisionsdetektor im Weltall Energiebereiche vermessen, die auch mit riesigen Luftschauerexperimenten auf der Erdoberfläche zugänglich sind. Das stellt ein wichtiges Bindeglied zum Verständnis der kosmischen Strahlung und ihrer Quellen dar. „Frühere Experimente haben Strukturen im Bereich von 300 bis 800 GeV im Gesamtfluss entdeckt, die auf neue physikalische Effekte hingewiesen haben. Unsere Messung zeigt, dass der Gesamtfluss von Elektronen und Positronen bis zu Energien von 1000 GeV einen glatten Verlauf zeigt, der sich mit einer zusätzlichen Komponente energetischer Positronen erklären lässt“, erklärt die Nachwuchsgruppenleiterin.

Künftig sollen weitere Messungen mit dem Detektor AMS zeigen, ob der beobachtete Positronen-Überschuss tatsächlich auf die Existenz Dunkler Materie zurückzuführen ist oder aber von wenigen astrophysikalischen Punktquellen herrührt. Dazu messen die Wissenschaftler der YIG von Dr. Iris Gebauer die Richtungsabhängigkeit der hochenergetischen Positronen. „Dunkle Materie ist weit verteilt, eine Punktquelle befindet sich an einem bestimmten Ort“, erläutert Gebauer.

Die neuen Ergebnisse des AMS-Experiments wurden in der Fachzeitschrift Physical Review Letters (113, 121102 – 18. September 2014) veröffentlicht.

Das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ist eine Körperschaft des öffentlichen Rechts nach den Gesetzen des Landes Baden-Württemberg. Es nimmt sowohl die Mission einer Universität als auch die Mission eines nationalen Forschungszentrums in der Helmholtz-Gemeinschaft wahr. Thematische Schwerpunkte der Forschung sind Energie, natürliche und gebaute Umwelt sowie Gesellschaft und Technik, von fundamentalen Fragen bis zur Anwendung. Mit rund 9 400 Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern, darunter mehr als 6 000 in Wissenschaft und Lehre, sowie 24 500 Studierenden ist das KIT eine der größten Forschungs- und Lehreinrichtungen Europas. Das KIT verfolgt seine Aufgaben im Wissensdreieck Forschung – Lehre – Innovation.

Diese Presseinformation ist im Internet abrufbar unter: http://www.kit.edu

Monika Landgraf | idw - Informationsdienst Wissenschaft

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Im Takt der Atome: Göttinger Physiker nutzen Schwingungen von Atomen zur Kontrolle eines Phasenübergangs
09.07.2020 | Georg-August-Universität Göttingen

nachricht Materialforscher schicken „metallisches Glas“ zur internationalen Raumstation
08.07.2020 | Universität des Saarlandes

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: The spin state story: Observation of the quantum spin liquid state in novel material

New insight into the spin behavior in an exotic state of matter puts us closer to next-generation spintronic devices

Aside from the deep understanding of the natural world that quantum physics theory offers, scientists worldwide are working tirelessly to bring forth a...

Im Focus: Im Takt der Atome: Göttinger Physiker nutzen Schwingungen von Atomen zur Kontrolle eines Phasenübergangs

Chemische Reaktionen mit kurzen Lichtblitzen filmen und steuern – dieses Ziel liegt dem Forschungsfeld der „Femtochemie“ zugrunde. Mit Hilfe mehrerer aufeinanderfolgender Laserpulse sollen dabei atomare Bindungen punktgenau angeregt und nach Wunsch aufgespalten werden. Bisher konnte dies für ausgewählte Moleküle realisiert werden. Forschern der Universität Göttingen und des Max-Planck-Instituts für biophysikalische Chemie in Göttingen ist es nun gelungen, dieses Prinzip auf einen Festkörper zu übertragen und dessen Kristallstruktur an der Oberfläche zu kontrollieren. Die Ergebnisse sind in der Fachzeitschrift Nature erschienen.

Das Team um Jan Gerrit Horstmann und Prof. Dr. Claus Ropers bedampfte hierfür einen Silizium-Kristall mit einer hauchdünnen Lage Indium und kühlte den Kristall...

Im Focus: Neue Methode führt zehnmal schneller zum Corona-Testergebnis

Forschende der Universität Bielefeld stellen beschleunigtes Verfahren vor

Einen Test auf SARS-CoV-2 durchzuführen und auszuwerten dauert aktuell mehr als zwei Stunden – und so kann ein Labor pro Tag nur eine sehr begrenzte Zahl von...

Im Focus: Robuste Materialien in Schwingung versetzt

Kieler Physikteam beobachtet in Echtzeit extrem schnelle elektronische Änderungen in besonderer Materialklasse

In der Physik werden sie zurzeit intensiv erforscht, in der Elektronik könnten sie ganz neue Funktionen ermöglichen: Sogenannte topologische Materialien...

Im Focus: Excitation of robust materials

Kiel physics team observed extremely fast electronic changes in real time in a special material class

In physics, they are currently the subject of intensive research; in electronics, they could enable completely new functions. So-called topological materials...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Intensiv- und Notfallmedizin: „Virtueller DIVI-Kongress ist ein Novum für 6.000 Teilnehmer“

08.07.2020 | Veranstaltungen

Größte nationale Tagung für Nuklearmedizin

07.07.2020 | Veranstaltungen

Corona-Apps gegen COVID-19: Nationalakademie Leopoldina veranstaltet internationales virtuelles Podiumsgespräch

07.07.2020 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Virtual Reality - Umgebung für‘s Homeoffice

09.07.2020 | Informationstechnologie

Sehbehinderte sollen durch Elektrostimulationen besser sehen

09.07.2020 | Medizintechnik

Internationale Studie: Wie lässt sich Gletscherschmelze genauer vorhersagen?

09.07.2020 | Studien Analysen

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics