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DUNKLE MATERIE
Präzisionsexperiment schließt bislang unerforschten Parameterbereich aus
Redaktion / idw / Pressemitteilung der Universität Bern
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11. November 2022

Was macht die Dunkle Materie aus? Bei der Suche nach einer Antwort auf diese Frage ist ein internationales Forschungsteam nun einen Schritt vorangekommen: Mithilfe eines Präzisionsexperiments konnte der Spielraum für die Existenz von Dunkler Materie deutlich eingeschränkt werden. Die Suche nach den Partikeln der Dunklen Materie geht aber weiter.

Experiment

Teil der experimentellen Apparatur im Labor in Bern mit Doktorand Ivo Schulthess. Foto: zvg   [Großansicht]

Die kosmologischen Beobachtungen der Bahnen von Sternen und Galaxien erlauben eindeutige Rückschlüsse darauf, welche anziehenden Gravitationskräfte zwischen den Himmelskörpern wirken. Die erstaunliche Erkenntnis lautet: Die sichtbare Materie reicht bei Weitem nicht aus, um die Entwicklung und Bewegungen der Galaxien zu erklären. Dies legt die Vermutung nahe, dass es dort eine andere, bisher unbekannte Form von Masse gibt.

Bereits 1933 schloss deshalb der Astronom Fritz Zwicky auf die Existenz von sogenannter Dunkler Materie. Dunkle Materie ist eine postulierte Form von Materie, die nicht direkt sichtbar ist, aber über die Gravitation wechselwirkt und dabei etwa fünfmal mehr Masse umfasst als die uns bekannte Materie. Nun ist es einem internationalen Forschungsteam dank eines am Albert Einstein Center for Fundamental Physics (AEC) der Universität Bern entwickelten Präzisionsexperiments gelungen, den Spielraum für die Existenz von Dunkler Materie deutlich einzuschränken. Das AEC mit seinen über 100 Mitgliedern ist eine der international führenden Forschungseinrichtungen auf dem Gebiet der Teilchenphysik.

 "Woraus Dunkle Materie besteht, ist noch völlig unklar", erläutert Ivo Schulthess, Doktorand am AEC und Erstautor der jetzt vorgestellten Studie. Sicher sei aber, dass sie nicht aus denselben Teilchen aufgebaut ist, aus denen die Sterne, unsere Erde oder wir selbst bestehen. Weltweit wird mit immer sensitiveren Experimenten und Methoden nach möglichen dunklen Materieteilchen gesucht – bis heute jedoch ohne Erfolg. Eine vielversprechende Kategorie von Kandidaten für dunkle Materieteilchen bilden bestimmte hypothetische Elementarteilchen, die sogenannten Axionen. Ein wichtiger Vorteil dieser extrem leichten Teilchen ist, dass sie gleichzeitig weitere wichtige, bisher unverstandene Phänomene der Teilchenphysik erklären könnten.

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"Unserem Team ist es gelungen, dank langjähriger Expertise eine extrem empfindliche Messapparatur zu konzipieren und zu bauen – das Beam EDM Experiment", erklärt Florian Piegsa, Professor für Niederenergie- und Präzisionsphysik am AEC, der 2016 für seine Forschung an Neutronen einen der renommierten ERC Starting Grants des Europäischen Forschungsrats erhielt. Falls die schwer fassbaren Axionen tatsächlich existieren, so sollten sie eine charakteristische Signatur in der Berner Messapparatur hinterlassen.

"Mit unserem Experiment lässt sich die Drehfrequenz von Neutronen-Spins bestimmen, welche sich durch eine Überlagerung von elektrischen und magnetischen Feldern bewegen", erklärt Schulthess. Der Spin jedes einzelnen Neutrons fungiert dabei als eine Art Kompassnadel, welche sich aufgrund des Magnetfeldes wie der Sekundenzeiger einer Armbanduhr dreht – allerdings fast 400.000 Mal schneller. "Diese Drehfrequenz haben wir permanent genau gemessen und nach kleinsten periodischen Fluktuationen untersucht, welche durch die Wechselwirkung mit den Axionen hervorgerufen werden würden», erklärt Piegsa. Die Ergebnisse des Experiments waren eindeutig: "Die Drehfrequenz der Neutronen blieb unverändert, was bedeutet, dass es in unserer Messung keinen Hinweis auf Axionen gibt", so Piegsa.

Durch diese Messungen, welche zusammen mit Forschenden aus Frankreich an der Europäischen Forschungsneutronenquelle des Instituts Laue-Langevin durchgeführt wurden, konnte ein bisher komplett unerforschter Parameterbereich der Axionen experimentell ausgeschlossen werden. Dabei konnte nach hypothetischen Axionen gesucht werden, welche mehr als 1000 Mal schwerer wären, als dies bislang mit anderen Experimenten möglich war.

"Obwohl die Existenz dieser Teilchen auch weiterhin mysteriös bleibt, konnten wir erfolgreich einen wichtigen Parameterraum der Dunklen Materie eingrenzen", bilanziert Schulthess. Zukünftige Experimente können nun auf dieser Arbeit aufbauen. "Die endgültige Beantwortung der Frage nach der Dunklen Materie würde uns einen bedeutsamen Einblick in die Grundlagen der Natur ermöglichen und uns einen großen Schritt näher an ein vollständiges Verständnis des Universums bringen", so Piegsa.

Die Ergebnisse des Teams wurden in der Fachzeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht.

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Präzisionsexperiment schließt bislang unerforschten Parameterbereich für Dunkle Materie aus. Diskutieren Sie mit anderen Lesern im astronews.com Forum.
siehe auch
CERN: Mit BASE auf der Suche nach Dunkler Materie - 28. Januar 2022
Dunkle Materie: Die Masse des Axions - 3. November 2016
Axionen: Auf der Suche nach Relikten des Urknalls - 19. April 2005
Links im WWW
Schulthess, I. et al. (2022): New Limit on Axionlike Dark Matter Using Cold Neutrons, Phys. Rev. Lett., 129, 191801
Universität Bern
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