Auf der Quark Matter Conference am 7. April 2022 und der kürzlichen Rencontres de Moriond Conference präsentierte die LHCb Collaboration eine Analyse der Teilchenkollisionen am Large Hadron Collider (LHC). Diese Analyse könnte bei der Feststellung helfen, ob die von Experimenten im Weltraum beobachtete Antimaterie von der Dunklen Materie stammt, die die Galaxien wie unsere Milchstraßen-Galaxie zusammenhält.
Weltraumbasierte Experimente wie das Alpha Magnetic Spectrometer (AMS), das am CERN konstruiert und auf der Internationalen Raumstation ISS installiert wurde, haben in hochenergetischen kosmischen Strahlen einen Anteil von Antiprotonen registriert, die Antimaterie-Gegenstücke zu Protonen. Diese Antiprotonen könnten entstehen, wenn Dunkle-Materie-Teilchen miteinander kollidieren, aber sie könnten auch durch andere Prozesse erzeugt werden, beispielsweise wenn Protonen mit Atomkernen im interstellaren Medium kollidieren, das hauptsächlich aus Wasserstoff und Helium besteht.
Um festzustellen, ob irgendwelche dieser Protonen von Dunkler Materie stammen oder nicht, müssen Physiker daher schätzen, wie oft Antiprotonen durch Kollisionen zwischen Protonen und Wasserstoff entstehen, sowie durch Kollisionen zwischen Protonen und Helium. Während für Ersteres bereits Messungen vorgenommen wurden und die LHCb Collaboration im Jahr 2017 die erste Messung von Letzterem präsentierte, berücksichtigte die LHCb-Messung nur die prompte Erzeugung von Antiprotonen. Damit sind Antiprotonen gemeint, die genau am Kollisionsort entstanden.
In ihrer neuen Studie suchte das LHCb-Team auch nach Antiprotonen, die in einiger Entfernung zum Kollisionspunkt durch den Zerfall von sogenannten Antihyperonen entstanden. Die LHCb-Forscher nutzen für ihre Untersuchungen normalerweise Daten von Proton-Proton-Kollisionen. Für die neue Messung verwendeten sie stattdessen Daten von Proton-Helium-Kollisionen. Dafür wurde Helium-Gas an dem Punkt injiziert, wo die beiden LHC-Protonenstrahlen normalerweise kollidieren würden.
Die Wissenschaftler maßen das Verhältnis der Produktionsrate von Antiprotonen aus dem Zerfall von Antihyperonen zur Produktionsrate von vor Ort entstandenen Antiprotonen anhand einer Stichprobe von etwa 34 Millionen Proton-Helium-Kollisionen. Sie stellten fest, dass die aus dem Zerfall von Antihyperonen hervorgegangenen Antiprotonen bei der Größenordnung der Kollisionsenergie ihrer Messung viel mehr zur Gesamtzahl der produzierten Antiprotonen beitragen als die Menge, die von den meisten Modellen der Proton-Atomkern-Kollisionen vorhergesagt wird.
“Dieses Ergebnis ergänzt unsere frühere Messung von prompt erzeugten Antiprotonen und wird die Vorhersagen der Modelle verbessern”, sagte der LHCb-Sprecher Chris Parkes. “Diese Verbesserung könnte wiederum weltraumbasierten Experimenten helfen, Hinweise auf Dunkle Materie zu finden.”
“Unsere Technik, bei der Gas in den LHCb-Kollisionspunkt inziziert wird, wurde ursprünglich entwickelt, um die Größe der Protonenstrahlen zu messen”, sagte der LHCb-Physikkoordinator Niels Tuning. “Es ist wirklich schön wieder zu sehen, dass sie auch unser Wissen darüber verbessert, wie oft Antimaterie in kosmischen Kollisionen zwischen Protonen und Atomkernen entstehen sollte.”
(THK)
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