Anti-atoomkernen uit de Melkweg zijn van nut bij de zoektocht naar donkere materie

Anti-atoomkernen die ontstaan in het hart van de Melkweg, kunnen detectoren op aarde bereiken. Dat blijkt uit metingen bij CERN in Genève. Deze bevindingen, die deze week verschenen in Nature Physics, helpen het onderzoek naar anti-atoomkernen die mogelijk ontstaan door donkere materie.

Anti-atoomkernen, zoals antiheliumkernen, komen van nature op aarde niet voor, maar kunnen wel geproduceerd worden in deeltjesversnellers zoals CERN’s LHC. Antikernen bestaan uit antimateriedeeltjes. Elk materiedeeltje heeft een antimaterie-tegenhanger die je kunt zien als het spiegelbeeld. Het anti-elektron (positron) is bijvoorbeeld even zwaar als een elektron maar heeft een positieve lading en geen negatieve.

„We onderzoeken antikernen omdat ze een nieuwe manier bieden om te zoeken naar donkere materie”, vertelt natuurkundige Stephan Königstorfer van de Technische Universiteit München (TUM). Donkere materie is een van de grote mysteries in de moderne natuurkunde. Alle bekende materie beslaat maar 15 procent van de totaal berekende massa in het heelal. De overige 85 procent is kwijt. De meest eenvoudige verklaring lijkt het bestaan van nog onbekende deeltjes die geen licht of andere straling uitzenden: donkere materie.

Onderlinge botsingen

Omdat donkeremateriedeeltjes niets meetbaars uitzenden, zijn ze onzichtbaar. Antikernen zijn een veelbelovende methode om ze toch te vinden. Want volgens theoretische voorspellingen zouden er antiheliumkernen kunnen ontstaan als bepaalde donkeremateriedeeltjes onderling botsen.

Maar donkere materie is niet de enige bron van antikernen in de Melkweg. Natuurkundigen zijn ervan overtuigd dat ze ook ontstaan als energierijke kosmische straling botst op atomen in interstellaire gaswolken. Het AMS-02 instrument, bevestigd aan het internationale ruimtestation ISS, heeft tot nu toe acht signalen gemeten die veroorzaakt kunnen zijn door antiheliumkernen. „Om te achterhalen of de antikernen bij AMS-02 en toekomstige detectoren afkomstig zijn van donkere materie of kosmische straling, moeten we begrijpen wat er onderweg gebeurt met deze antideeltjes”, zegt Königstorfer.

In beide scenario’s ontstaan de antikernen op tienduizenden lichtjaren afstand, in het hart van de Melkweg. Ze moeten dus ver reizen om detectoren op aarde te bereiken. Dat is niet zonder risico. „Antikernen kunnen onderweg verdwijnen als ze botsen op gewone materie, bijvoorbeeld in interstellair gas”, vertelt Laura Serksnyte, eveneens van TUM.

We keken hoeveel antikernen we verloren

Om te onderzoeken hoeveel antikernen de tocht overleven, maten onderzoekers honderden antiheliumkernen die geproduceerd werden in de LHC en die vervolgens door de Alice-detector vlogen. Königstorfer: „We keken hoeveel antikernen we verloren in een bepaalde hoeveelheid detectormateriaal. Dat bestaat, net als interstellair gas, uit gewone materie.”

Met een computermodel vertaalden ze vervolgens de Alice-resultaten naar voorspellingen voor antikernen in de Melkweg. Hieruit bleek dat ongeveer de helft van de antiheliumkernen die in het hart van de Melkweg zouden kunnen ontstaan bij botsende donkeremateriedeeltjes, de aarde kan bereiken. Voor antikernen die ontstaan door kosmische straling varieert dit, afhankelijk van hun energie, van 25 tot 90 procent.

Grote afstanden afleggen

Daarmee tonen de onderzoekers aan dat antikernen grote afstanden kunnen afleggen in de Melkweg en zelfs vanuit het centrum de aarde kunnen bereiken. Königstorfer: „Dat bevestigt dat het meten van antikernen een goede manier is om te zoeken naar signalen van donkere materie.”

„Dit zijn interessante en nuttige metingen om de oorsprong te begrijpen van antikernen die worden gemeten in de ruimte”, zegt natuurkundige Suzan Basegmez du Pree van het Amsterdamse onderzoeksinstituut Nikhef en betrokken bij AMS-02. „Hoewel het niet direct de vraag beantwoordt wat de bron is van de antiheliumkern-metingen van AMS-02, laat het wel zien dat donkere materie een mogelijke bron is.”