positronen

In de Alpha Magnetic Spectrometer, een 2 miljard dollar kostende detector van kosmische deeltjes aan boord van het internationale ruimtestation ISS, is een zeer hoog aantal positronen waargenomen. Volgens veel donkere-materieonderzoekers een sterke aanwijzing dat donkere materie inderdaad bestaat. Toch houden ze nog een slag om de arm.

Wat is donkere materie?
Volgens de op dit moment populaire kosmologische modellen moet het bestaan: donkere materie. Donkere materie, die volgens die modellen viervijfde van alle massa in het heelal uitmaakt, is alleen waar te nemen door de zwaartekrachtseffecten en -afhankelijk van het type deeltje dat verantwoordelijk is voor donkere materie- bepaalde vervalproducten. Het probleem met donkere materie is dat het uiterst lastig aan is te tonen. De deeltjes die verantwoordelijk zijn voor donkere materie – of het nu gaat om axionen, steriele neutrino’s of supersymmetrische deeltjes, om maar enkele kandidaten te noemen, alle hebben ze met elkaar gemeen dat ze niet of nauwelijks in staat zijn om met waarneembare materie in wisselwerking te treden.

Onverklaarbare overvloed aan positronen
De AMS vangt geladen kosmische deeltjes op met behulp van een krachtige magneet. Magnetische velden buigen bewegende elektrisch geladen deeltjes af en maken het zo mogelijk de snelheid en lading van de deeltjes vast te stellen. Tussen de lancering in 2011 en voorjaar 2013, samen 18 maanden, heeft het apparaat 6 800 000 elektronen en meer dan 400 000 positronen, de antideeltjes van elektronen, met hoge energie waargenomen in de kosmische straling. Deze hoeveelheid positronen is veel en veel hoger dan wat astrofysici hadden verwacht – antimaterie is erg zeldzaam omdat deze onmiddellijk wordt vernietigd in contact met materie, – en wijst erop dat we iets heel groots op het spoor zijn.

Pulsars of antimaterie?
Positronen komen gewoonlijk vrij bij zeer energierijke processen. Om uit het niets een elektron-positronpaar te scheppen, moet er een energie van 1,022 MeV worden toegevoerd – de energie die een elektron zou krijgen als deze door 1 022 000 volt potentiaalverschil loopt. Deze voltages komen bij onweer voor en er ontstaat daardoor ook enige antimaterie bij bliksemontladingen.

Op dit moment zijn er twee kandidaatverschijnselen die deze overmaat kunnen verklaren: pulsars en de annihilatie van donkere materiedeeltjes. Pulsars zijn zeer snel, tot honderden malen per seconde, rondtollende neutronensterren met een extreem krachtig magnetisch veld. Het snel rondtollende magnetische veld zweept elektronen sterk op, waardoor veel energie vrijkomt (we nemen deze waar als röntgenstraling). In principe is dit voldoende energie om positronen te laten ontstaan.

Een tweede mogelijkheid is dat bepaalde donkere-materiedeeltjes elkaar ontmoeten en annihileren. Dat kan, als het deeltje een Majorana-type deeltje is, m.a.w. zijn eigen antideeltje is. Hierbij komt zoveel energie vrij, dat er uit deze energie elektron-positron paren kunnen ontstaan.

Hoe weten we wat de werkelijke bron is van deze positronen?
De meer dan 400.000 positronen hebben een bepaalde snelheidsverdeling, m.a.w. ze vormen een spectrum. Elke bron kent zijn eigen type spectrum. Als de positronen afkomstig zijn van pulsars, dan zal hun snelheid nooit de maximale zwiep die een pulsar mee kan geven, minus de vormingsenergie, overschrijden. Ook zijn de gemiddelde pulsarsnelheden van de pulsars in ons melkwegstelsel nauwkeurig bekend, waardoor astrofysici precies kunnen voorspellen hoeveel energie positronen in pulsars gemiddeld mee kunnen krijgen.
Zijn de positronen afkomstig van donkere materie, dan is hun snelheidsverdeling afhankelijk van de massa van de donkere-materiedeeltjes die elkaar vernietigen. Van diverse kandidaat-donkere-materie deeltjes is deze massa in grote lijnen bekend; het spectrum kan dus uitsluitsel geven om welk type donkere-materiedeeltje het gaat.

Aan de zeshonderd natuurkundigen onder leiding van Nobelprijswinnaar Samuel Ting, die de data van het apparaat analyseren, is nu de taak om uit te vinden welke bron verantwoordelijk is.  Dit kan ook een heel andere bron zijn waar we nu nog helemaal niet aan denken. Dit zou niet de eerste keer zijn in de geschiedenis van de wetenschap. Zo zijn er, naar het zich nu laat aanzien, enorme elektrische stromen op kosmische schaal actief. Ting denkt in de tweede helft van 2013 meer te kunnen zeggen.

Bron:
Viewpoint: Positrons galore, Physical Review Letters (2013)
M. Aguilar et al. (AMS Collaboration), “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,” Phys. Rev. Lett.110, 141102 (2013).