|
Der Spin soll Axionen verraten
Redaktion
/ idw / Pressemitteilung der Universität Mainz
astronews.com
26. Juni 2019
Auf der Suche nach der Dunklen Materie, die etwa die
Bewegungen von Sternen in Galaxien beeinflusst, hoffen Wissenschaftlerinnen und
Wissenschaftler in der Elementarteilchenphysik fündig zu werden. Ein möglicher
Kandidat sind sogenannte Axionen. Mit einem neuen Verfahren versucht ein Team
aus Mainz, diese Partikel nun aufzuspüren - bislang allerdings ohne Erfolg.
Kann der Spin Axionen verraten? Das Team in
Mainz will das herausfinden. Hier richtet Dr.
Teng Wu den Laserstrahl der Komagnetometrie-Anordnung
aus.
Foto: Arne Wickenbrock, JGU [Großansicht] |
Tag für Tag sind wir von Materie umgeben – Bäume, Häuser und Möbel, ja selbst
die Luft gehören in ihr Reich. Doch: Diese uns bekannte, sichtbare Materie macht
Physikern zufolge nur etwa 20 Prozent der gesamten Materie im Universum aus.
Ganze 80 Prozent sind Dunkle Materie – so die gängige Theorie. Einer der Gründe,
unter mehreren, für diese Annahme: Die Sterne bewegen sich weit schneller, als
sie es tun dürften, wenn nur "normale" Materie existieren würde.
Im Laufe der Zeit entwickelten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler
unterschiedliche Theorien darüber, aus was genau diese geheimnisvolle Dunkle
Materie bestehen soll. Mögliche Kandidaten sind schwach wechselwirkende, schwere
Teilchen WIMPs; eine Abkürzung für den englischen Begriff Weakly Interacting
Massive Particles.
Forscher haben zahlreiche Jahre damit verbracht, diese mit Teilchendetektoren
aufzuspüren und versuchen dies nach wie vor – bislang leider vergeblich. Vor
einigen Jahren postulierten Wissenschaftler weitere mögliche Teilchen, genannt
Axionen, die um ein Vielfaches leichter sind als andere Teilchen. Das Feld
dieser Teilchen oszilliert der Theorie zufolge – es verändert sich also ständig.
Die Frequenz, mit der es das tut, ist proportional zur Schwere der Teilchen: Da
die Teilchen sehr leicht sind, sollte sie also sehr niedrig sein. Genau weiß das
jedoch bislang niemand: Es ist ebenso möglich, dass dieses Feld ein ganzes Jahr
braucht, um eine Periode zu durchlaufen, oder dies Billionen Mal pro Sekunde
tut.
Forscher der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) haben nun eine
Möglichkeit gefunden, diese Axionen nachzuweisen – im Projekt Cosmic Axion
Spin Precession Experiment CASPEr. "Wir setzen dabei auf die
Kernspinresonanz", erläutert Prof. Dr. Dmitry Budker vom Institut für Physik der
JGU und dem Helmholtz-Institut Mainz. "Mit dieser detektieren wir die Kernspins
von Molekülen, genauer gesagt vom Kohlenstoff-Isotop C13 und von Wasserstoff."
Die Grundannahme: Die Dunkle Materie beeinflusst die Spins, sie sollte sie
zum Rotieren bringen. Nun werden die Spins allerdings auch vom Erdmagnetfeld
beeinflusst. Die Forscher müssen daher auseinanderhalten, welcher Anteil der
beobachteten Spin-Änderungen auf die Dunkle Materie und welcher auf das
Erdmagnetfeld zurückzuführen ist.
Das Wissenschaftlerteam hat daher die Komagnetometrie entwickelt: Diese
basiert auf der Vielzahl von Atomkernen in einem Molekül. Da verschiedenartige
Kerne jeweils unterschiedlich empfindlich auf die Magnetfelder von Erde und
Dunkler Materie reagieren, lassen sich beide Effekte separieren.
Den Frequenzbereich von ein bis drei Oszillationen pro Jahr bis zu 18
Oszillationen pro Stunde haben die Forscher der JGU bereits durchkämmt –
allerdings ohne auf die Einflüsse Dunkler Materie zu stoßen. "Man kann sich das
ähnlich vorstellen, als hätte man in einem großen Garten einen Ring verloren",
erläutert Budker. "Einen Teil dieses Gartens haben wir bereits untersucht, wir
wissen also, wo sich der Ring nicht befindet – sprich in welchem Frequenzbereich
sich das Axion nicht bewegt. Auf diese Weise konnten wir den Bereich, in dem wir
das Axion zu finden hoffen, stark einschränken und werden die Suche nun auf die
anderen Bereiche fokussieren."
Über ihre Arbeit berichten die Forscher in einem Fachartikel, der in der
Zeitschrift Physical Review Letters erschienen ist.
|
