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DUNKLE MATERIE

Von Axionen keine Spur



Mithilfe einer Quelle von ultrakalten Neutronen versuchen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler mehr über die Eigenschaften dieser Elementarteilchen zu erfahren. Die dabei gewonnenen Daten könnten auch Hinweise auf die Existenz von Axionen enthalten, die als Kandidaten für die Dunkle Materie gelten. In einer neuen Auswertung wurden allerdings keine Spuren von Axionen entdeckt.





An den Experimenten zur Bestimmung des elektrischen Dipolmoments des Neutrons sind Forschende aus sieben Ländern beteiligt. Das Bild zeigt einen Teil des Teams vor der Forschungsanlage am PSI. [ An den Experimenten zur Bestimmung des elektrischen Dipolmoments des Neutrons sind Forschende aus sieben Ländern beteiligt. Das Bild zeigt einen Teil des Teams vor der Forschungsanlage am PSI. [ Großansicht

Die Sterne und Galaxien des Universums beeinflussen durch ihre Anziehungskräfte gegenseitig ihre Bewegungen. Doch die Kräfte der sichtbaren Himmelskörper reichen bei Weitem nicht aus, um zu erklären, warum sich die Galaxien so bewegen, wie sie es tun. Daher postuliert man die Existenz von Dunkler Materie, die einen Großteil der Materie des Universums ausmachen soll.

Woraus diese Dunkle Materie besteht, ist bisher aber völlig unklar. Sie ist jedenfalls nicht aus denselben Teilchen aufgebaut, aus denen die Sterne, die Erde oder wir selbst bestehen. Zugleich muss die gesamte Masse der Dunklen Materie etwa fünfmal so groß sein wie die unserer bekannten Materie, um die beobachteten Vorgänge im Universum zu erklären.

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler haben inzwischen zahlreiche theoretische Modelle zur Natur dieser Dunklen Materie entwickelt. Eine vielversprechende Möglichkeit ist, dass sie aus sogenannten Axionen besteht. Dabei handelt es sich um bisher hypothetische Teilchen, die bestimmte unverstandene Phänomene der Teilchenphysik erklären könnten.

Sollten diese Axionen existieren, so würden sie sich unter bestimmten Bedingungen am Paul Scherrer Institut (PSI) beobachten lassen – genauer genommen an der Quelle ultrakalter Neutronen, einer Forschungsanlage des Instituts. Im Rahmen einer internationalen Zusammenarbeit untersuchen hier Forschende aus sieben Ländern vor allem die Eigenschaften des Neutrons selbst – insbesondere wollen sie dessen elektrisches Dipolmoment bestimmen.

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Denn das Neutron hat zwar insgesamt keine elektrische Ladung, es könnte aber ein elektrisches Dipolmoment haben. Anschaulich könnte man sich vorstellen, dass in diesem Falle der elektrisch positiv geladene Anteil in seinem Inneren ein wenig gegenüber dem negativen verschoben wäre. Die Existenz eines solchen statischen elektrischen Dipolmoments ist mit vielen aktuellen Fragestellungen der modernen Physik verknüpft – etwa der Frage, warum es im Universum mehr Materie als Antimaterie gibt.

In den Messdaten, die für die Untersuchungen des Neutrons aufgenommen worden sind, könnte sich aber auch die Existenz der Axionen zeigen. "Wir haben dafür auf einen anderen Aspekt in diesen Daten geschaut", so Klaus Kirch, Leiter des Labors für Teilchenphysik am PSI und Professor an der ETH Zürich. "In unserem Experiment dauert eine einzelne Messung des Dipolmoments rund fünf Minuten. Um ein gutes Ergebnis für das statische Dipolmoment des Neutrons zu bekommen, führen wir diese Messung viele Male durch und bestimmen den über lange Zeit gemittelten Wert. Für die Suche nach den Axionen schauen wir dagegen, ob die Messergebnisse mit der Zeit mit einer festen Frequenz schwanken. Eine solche Oszillation wäre nämlich ein Hinweis auf eine Wechselwirkung der Neutronen mit den hypothetischen Teilchen."

Dass sich die Axionen auf diese Art indirekt nachweisen ließen, liegt daran, dass diese nicht nur über die Gravitation mit anderer Materie wechselwirken; sie könnten zum Beispiel auch an die Gluonen koppeln, die "Klebeteilchen", die gewissermaßen das Neutron im Inneren zusammenhalten. Damit könnte die Begegnung mit einem Axion ein elektrisches Dipolmoment verursachen. Sehr salopp gesagt würden Axionen die Form des Neutrons verändern und damit die Verteilung der elektrischen Ladung in seinem Innern.

In den Messdaten des Experiments am PSI ließ sich eine solche Oszillation bislang nicht nachweisen, ebenso wenig in den Daten eines Vorgängerexperiments an der Neutronenquelle ILL in Grenoble, die im Rahmen dieses Projekts ebenfalls neu ausgewertet wurden. Diese beiden Experimente sind die ersten, in denen Forschende die Kopplung von Axionen an Gluonen direkt im Labor untersucht haben. Die bisherigen Erkenntnisse über solche Kopplungen konnten nur indirekt aus astrophysikalischen Beobachtungen und kosmologischen Modellen gewonnen werden.

Die neuen Labormessungen verbessern die Genauigkeit dieser früheren Ergebnisse um bis zu einen Faktor 1000 und führen dazu, dass man die Existenz von Axionen mit bestimmten Eigenschaften zuverlässig ausschließen kann. "Damit widerlegen die Ergebnisse diejenigen physikalischen Modelle, die Axionen mit diesen Eigenschaften postulieren und helfen so, die Vielfalt an Teilchen einzuschränken, die mögliche Kandidaten für die Dunkle Materie sind", so Kirch.

Dass das Experiment nicht alle denkbaren Arten von Axionen erfasst, hat im Wesentlichen zwei Gründe. So müssten die Axionen hinreichend stark mit den Neutronen wechselwirken, damit sich die Oszillation in den Messdaten manifestiert. Zudem dürfte ihre Masse nicht zu groß sein, weil eine hohe Masse zu einer hohen Frequenz der Oszillation führen würde, die sich angesichts der Fünf-Minuten-Schritte in den bisher durchgeführten Messungen nicht beobachten ließe.

Über ihre Ergebnisse berichten die Wissenschaftler in einem Fachartikel, der in der Fachzeitschrift Physical Review X erschienen ist.