#71: På spåret efter antimateria i den kosmiska strålningen

Av Mark Pearce

En banbrytande ny idé publiceras 1928 av den brittiska fysikern Paul Dirac. Han förutspådde förekomsten av subatomära antipartiklar – en slags spegelbild av vanliga partiklar (till exempel protoner och elektroner) med samma massa men motsatt elektrisk laddning. Diracs idé bekräftades 1932 när den svenskättade amerikanske fysikern Carl Anderson lyckats fånga en ”anti-elektron” eller positron med sin utrustning. Sannolikt producerades denna positron till följd av att en proton med hög energi i den kosmiska strålningen reagerar i atmosfären. Runt denna tid studerade många forskargrupper kosmisk strålning nära markytan, på bergstoppar och högt upp i atmosfären med hjälp av små väderballonger. Flera nya partiklar och antipartiklar kartlades vilket lagt grunden för utvecklingen av den partikelfysik som idag drivs med stora acceleratorer, exempelvis vid CERN i Schweiz.

På senare år har ballong- och satellitburna experiment specifikt undersökt antiprotoner och positroner i rymden. Anledning är att dessa antipartiklar kan ge insyn i hur den kosmisk strålning rör sig genom galaxen. En mer spektakulär strävan är att använda antipartiklar för att leta efter mörk materia, vilket skulle kunna bestå av tunga (och idag okända) subatomära partiklar. Kollisioner mellan sådana partiklar som kretsar i och runt galaxen kan ge upphov till antipartiklar med högre energi än vad som förväntas från vanliga processer, det vill säga när kosmiska protoner kolliderar med den interstellära gasen. 

Niclas Weber (doktorand), Tom Francke (NFR forskare) och Per Carlson i laboratoriet i New Mexico State University hösten 1993 med KTH:s Ring Imaging Cherenkov detektor, vilken användes för att mäta antimateria i den kosmiska strålningen. Foto: Per Carlson.

Under mitten av 1980-talet initierade Per Carlson (vid tiden professor i partikelfysik) experimentell verksamhet vid KTH med mål att bidra till studier av antimateria i rymden. Carlsons idé var att använda en ny elektronisk partikeldetektor, delvis utvecklad på CERN. Detektorn var inbyggd i ett system för att identifiera de små mängder kosmiska antipartiklar som krockade med jordens atmosfär. Samarbete upprättades med forskare i Frankrike, Indien, Italien, Tyskland och USA. Detektorsystemet, döpt till CAPRICE, utförde så småningom mätningar högt upp i atmosfären med hjälp av stora stratosfäriska ballonger som tillhandahölls av NASA. Under ett par flygningar i USA under 1990-talet observeras de mest energirika kosmiska antipartiklarna någonsin, om än med otillräcklig statistisk precision för att kunna dra konkreta slutsatser om mörk materia. 

För att kunna vidareutveckla forskningsfältet var man emellertid tvungen att komma undan den begränsningar som skapades av att mäta från ballonger i atmosfären. Det var dags att flytta undersökningar av kosmiska antipartiklar till en satellit! 

Tillsammans med kollegor i Italien, Ryssland och Tyskland, gick KTH-gruppen med i projektet Payload for Antimatter Matter Exploration and Light nuclei Astrophysics (PAMELA). Det var en viktig karriärhändelse för mig – jag gick från att vara partikelfysiker verksam på CERN till att bli astropartikelfysiker. PAMELA var ett relativt kompakt instrument — 1,3 meter lång och 450 kg tung — som monterades på en jordobservationsatellit, Resurs DK-1. PAMELA var specifikt utvecklad för att kunna utföra precisionsmätningar av antiprotoner och positroner i ett energiområde anpassat till sökandet efter mörk materia. KTH bidrog till konstruktionen av PAMELA-instrumentet med två så kallade antikoincidenssystem – en viktig komponent för att kunna skilja antipartiklarna från bakgrundsstörningar. Swedish Space Corporation bistod med mekanisk expertis.  

PAMELA lyfter ovanpå en Soyus-raket från ryska raketbasen Baikonur, och från samma startplatta som Gagarin startade från 1961. Foto: Mark Pearce.

Satelliten skickades upp från Bajkonur i Kazakstan den 15 juni 2006. Jag hade förmånen att vara på plats. Det var en häftig upplevelse blandat med en känsla av maktlöshet när Sojuz-raketen lyfte från marken och försvann i den klarblå himlen. Ett andra starkt minne kom några dagar senare. Jag ingick i forskargänget som hade rest vidare till Moskva för att jobba med den första data som skickats ner till jorden från PAMELA. Det var några stressfyllda dagar tills dataflödet var färdiganalyserat och det bekräftades att allt fungerade som förväntat.

PAMELA var onekligen en vetenskaplig succé under mer än 10 år av mätningar (den officiella livslängden var bara fyra år). Många nya resultat om den kosmiska strålningen publicerades, inklusive ett mycket omdiskuterat nytt rön om kosmiska positroner. Betydligt fler positroner med hög energi hittades än vad som kunde förklaras genom vanliga processer. Detta resultat gav upphov till en stor mängd artiklar som presenterade möjliga förklaringar till våra observationer. Efter att den första spänningen lagt sig visade det sig vara svårt att förena modeller av mörk materia med observationerna och en annan förklaring växte fram, nämligen att positronerna skapades i magnetosfären hos en närliggande pulsar. Det blev också tydligt att mer mätdata på högre energi skulle behövas för att kunna skilja mellan dessa två källor.  

En del av PAMELA-kollaborationen som samlade på KTH ett år efter uppskjutningen av satelliten sommaren 2007. PAMELA:s Principal Investigator, Peirgiorgio Picozza, sitter i mitten av första raden. I bakre raden syns flera personer med kopplingar till KTH, och författaren står i grå tröja längst bak till höger. Foto: Mark Pearce.

Efter PAMELA togs stafettpinnen över av Alpha Magnetic Spectrometer (AMS), ett betydligt större instrument, som installerades 2011 på rymdstationen efter flera års förseningar. PAMELA:s observationer bekräftades och mätningarna utvidgades mot högre energier. Trots detta är det fortfarande oklart vad som ger upphov till energirika antipartiklar. AMS fortsätter att samla in data så sista ordet är kanske inte sagt än.

Lämna ett svar

E-postadressen publiceras inte. Obligatoriska fält är märkta *