星系是如何诞生的，是什么将它们聚集在一起?天文学家认为暗物质起着至关重要的作用。然而，目前还无法直接证明暗物质的存在。包括慕尼黑工业大学(TUM)科学家在内的一个研究小组现已首次测量了来自银河系深处的反氦原子核的存活率——这是间接寻找暗物质的必要先决条件。

许多事情都指向暗物质的存在。星系在星系团中的移动方式，或者恒星绕星系中心旋转的速度，计算结果表明存在的质量一定比我们所能看到的要多得多。例如，大约85%的银河系由一种不可见的物质组成，这种物质只能根据其引力效应检测到。时至今日，仍无法直接证明这种材料的存在。

几种暗物质理论模型预测它可能由相互作用较弱的粒子组成。这会产生由两个反质子和一个反中子组成的反氦3原子核。这些原子核也是在宇宙辐射与普通物质(如氢和氦)之间的高能碰撞中产生的——但是，其能量不同于暗物质粒子相互作用中预期的能量。

在这两个过程中，反粒子都起源于银河系深处，距离我们数万光年。在他们被创造出来之后，他们中的一部分朝着我们的方向前进。这些粒子中有多少在这次旅程中毫发无损并到达地球附近，因为它们形成过程的信使决定了银河系对反氦核的透明度。

到目前为止，科学家们只能粗略估计这个值。然而，改进的透明度近似值，即反核数量和能量的测量单位，对于解释未来的反氦测量非常重要。

LHC粒子加速器作为反物质工厂

来自ALICE合作组织的研究人员现在进行了测量，使他们能够首次更精确地确定透明度。ALICE代表大型离子对撞机实验，是世界上在最小长度尺度上探索物理学的最大实验之一。ALICE是CERN大型强子对撞机(LHC)的一部分。

大型强子对撞机可以产生大量的轻反核，例如反氦。为此，质子和铅原子都被置于碰撞过程中。碰撞产生粒子雨，然后由ALICE实验的探测器记录下来。得益于探测器的几个子系统，研究人员随后可以探测到已经形成的反氦3核，并追踪它们在探测器材料中的踪迹。

这使得量化反氦3核与探测器材料相互作用并消失的概率成为可能。TUM和ExcellenceClusterORIGINS的科学家对实验数据的分析做出了重大贡献。

对反核透明的星系

通过模拟，研究人员能够将ALICE实验的发现转移到整个星系。结果：预计在暗物质粒子相互作用中产生的反氦3原子核中，约有一半会到达地球附近。因此，我们的银河系对这些反核具有50%的渗透率。

对于宇宙辐射和星际介质之间碰撞产生的反核，随着反氦3动量的增加，产生的透明度从25%到90%不等。然而，这些反核可以根据其更高的能量与暗物质产生的反核区分开来。

这意味着反氦核不仅可以在银河系中进行长距离旅行，而且还可以在未来的实验中充当重要的信息提供者：根据到达地球的反核数量和能量，这些经常旅行的信使的起源可以是由于新的计算，被解释为宇宙射线或暗物质。

未来太空反核测量的参考

“这是跨学科分析的一个很好的例子，它说明了粒子加速器的测量如何与太空宇宙射线的研究直接相关，”慕尼黑工业大学自然科学学院的ORIGINS科学家LauraFabbietti教授说。

LHC的ALICE实验结果对于国际空间站(ISS)上的AMS-02模块(阿尔法磁谱仪)在太空中寻找反物质具有重要意义。从2025年开始，北极上空的GAPS气球实验还将检查入射宇宙射线中的反氦3。