2010 Physiker am Large Hadron Collider begann mit der Produktion einer exotischen Form von Antimaterie, die als Antihelium bekannt ist. Antimaterie ist diese schwer fassbare Substanz, die sich vernichtet, wenn sie auf normale Materie trifft, und Antihelium ist der Antimaterie-Zwilling des klassischen Heliumatoms, das Zeug, das man in Partyballons findet. Obwohl noch nie ein Mensch ein natürlich vorkommendes Antihelium-Teilchen auf der Erde endgültig gefunden hat, könnte es der Schlüssel zur Lösung eines der größten noch offenen Rätsel der Physik sein: der Natur der Dunklen Materie.
Während dieses Tier auf der Erde selten sein mag, glauben Physiker, dass es in unserer Galaxie reichlich vorhanden sein könnte, so der Physiker Ivan Vorobyev, ein Forscher am CERN. Das liegt daran, dass sie glauben, dass Antihelium beim Zerfall dunkler Materie entstehen könnte, einer unsichtbaren Substanz, die 85 Prozent der Materie des Universums ausmacht. Am Montag gab Vorobyevs Team bekannt, dass sie etwa 18.000 Antiheliumkerne erzeugt haben – und insbesondere, dass sie ihr Ergebnis verwendet haben, um die Wahrscheinlichkeit zu berechnen, dass erdgestützte Detektoren Antihelium erfassen könnten, das aus dem Weltraum hereindriftet, wo es die Anwesenheit von Dunkelheit bedeuten könnte Angelegenheit.
Zwischen 2016 und 2018 hatte Vorobyevs Team mehr als eine Milliarde Partikel im 16-Meilen-Ring des LHC in Genf zertrümmert. Sie führten zwei Arten von Teilchenkollisionen durch: Protonen mit Protonen und Bleiionen mit Bleiionen, die auseinanderbrechen, um eine Vielzahl neuer Teilchen wie Pionen, Kaonen und mehr Protonen neu zu bilden. Die Aufzeichnung des Wracks erforderte Petabytes – das sind Tausende von tragbaren Festplatten – an Daten. Dann fingen sie an, es zu sichten. „Wir haben nur den Teil herausgefiltert, der für uns interessant ist“, sagt Vorobyev, ein Mitglied der ALICE-Kollaboration, die das Projekt durchgeführt hat. (Das Akronym steht für A Large Ion Collider Experiment.)
Insbesondere konzentrierte sich Vorobyevs Team auf eine Version des Antiteilchens, das als Antihelium-3 bekannt ist und aus zwei Antiprotonen und einem Antineutron besteht. Vorobyevs Team ist nicht das erste, das Antihelium-3 herstellt: Wissenschaftler beobachteten das Antiteilchen zum ersten Mal im Jahr 1970, indem sie es in einem Collider produzierten. Trotzdem hat es noch nie jemand schlüssig in der Natur festgehalten. Während Antimaterie auf unserem Planeten natürlich entsteht, besteht sie normalerweise aus leichten Teilchen wie Positronen, dem Antimaterie-Gegenstück von Elektronen, die tausendmal weniger massereich sind als Antihelium. Aber Antihelium-3 ist relativ schwer, und je schwerer das Antimaterie-Partikel ist, desto seltener wird es produziert. „Wenn Sie schwere Ionen kollidieren, kostet Sie jedes zusätzliche Nukleon etwa den Faktor 300 oder 400“, sagt Vorobyev. „Das bedeutet, dass jeder nächste Kern um den Faktor 350 weniger produziert wird als der vorherige.“
Obwohl Physiker aus ihrem Gravitationseinfluss auf die Rotation von Galaxien auf das Vorhandensein von Dunkler Materie geschlossen haben, wissen sie immer noch nicht, woraus sie besteht. Zu den Hypothesen gehören Objekte, die so schwer wie Schwarze Löcher und so leicht wie 100 Millionstel der Masse eines Elektrons sind. Vor zwei Jahrzehnten, Physiker zuerst vorgeschlagen dass bestimmte Teilchen der Dunklen Materie – bekannt als Weakly Interacting Massive Particles oder WIMPs – mit Anti-Dunkler-Materie vernichten könnten, um Materie und Antimaterie in gleichen Mengen zu produzieren. Wenn Dunkle Materie bei ihrer Vernichtung Antihelium abwirft, wäre die Entdeckung dieses Antiteilchens ein Hinweis darauf, dass es wirklich existiert.
Theoretisch könnten Physiker, die nach dunkler Materie suchen, tatsächlich nach beiden Materien suchen oder die Antimaterie, die es erzeugt. „In vielen Modellen ist Dunkle Materie ihr eigenes Antiteilchen, oder es gibt gleiche Mengen an Dunkler Materie und Anti-Dunkler-Materie“, sagt der Physiker Tim Linden von der Universität Stockholm in Schweden, der nicht am LHC-Experiment beteiligt war. „In jedem Fall neigen Sie dazu, ungefähr so viele Antiteilchen wie Teilchen aus der Vernichtung der Dunklen Materie zu erzeugen.“
Sterne und andere astrophysikalische Objekte, die nichts mit dunkler Materie zu tun haben, produzieren jedoch auch viele außerirdische Materiepartikel, sagt Linden, was es schwierig macht, ihren Ursprung zu identifizieren. „Also suchen wir nach Antimaterie-Signaturen, weil astrophysikalische Prozesse schlecht darin sind, sie zu erzeugen, und der Hintergrund kleiner ist“, sagt er. In diesem Sinne stammen alle nachgewiesenen Antimaterie-Partikel aus dem Weltraum eher aus dunkler Materie.