24.11.2017

Noch kein Lichtblick bei der Suche nach Dunkler Materie

Ein international zusammengesetztes Forscherteam hat mit Experimenten am Paul Scherrer Institut (PSI) in Villigen und am französischen Institut Laue-Langevin (ILL) in Grenoble nach Hinweisen zur Existenz von Axionen – einem hypothetischen Elementarteilchen, aus dem Dunkle Materie bestehen könnte – gesucht. Die Forscher konnten bei den Experimenten jedoch keine Wechselwirkungen mit Axionen beobachten, wie das PSI nun mittgeilt hat. Damit ist die Existenz dieser Teilchen zwar nicht ausgeschlossen, aber der Spielraum seiner Eigenschaften deutlich eingeschränkt.

Beobachtungen der Himmelkörper legen nahe, dass es neben der sichtbaren Materie noch etwas anderes geben muss, dass auf die Sterne und Galaxien im Universum wirkt. Denn die Gravitationskräfte der sichtbaren Himmelskörper sind zu gering, um ihre beobachteten Bewegungen erklären zu können. Wissenschafter postulieren daher die Existenz von Dunkler Materie. Um die Vorgänge im Universum erklären zu können, muss es massemässig etwa fünfmal mehr Dunkle Materie als bekannte Materie geben. Aus was die Dunkle Materie aber genau besteht, ist noch unbekannt.

Erklärungsmöglichkeit: Axionen

Eine Erklärung könnten die sogenannten Axionen liefern. Dabei handelt es sich um hypothetische Teilchen, die unverstandene Phänomene der Teilchenphysik erklären könnten. Sollten die Axionen existieren, so würden sie sich nach Angaben des PSI unter bestimmten Bedingungen an der Quelle ultrakalter Neutronen (UCN), einer Forschungsanlage des PSI, beobachten lassen.

Die sichtbaren Sterne und Galaxien verhalten sich nicht so, wie wir erwarten würden. Es muss noch mehr, nicht sichtbare Masse im Universum vorhanden sein. Die Fachwelt ist sich weitgehend einig, dass ein grosser Anteil der Masse des Universums aus sogenannter Dunkler Materie besteht, deren Existenz bisher aber noch nicht nachgewiesen werden konnte.
Quelle: ESA/Hubble

Suche über Neutronen

Forscher untersuchen an der UCN im Rahmen einer internationalen Zusammenarbeit vor allem die Eigenschaften des Neutrons. Speziell interessieren sie sich für dessen elektrisches Dipolmoment. Das Neutron hat zwar insgesamt keine elektrische Ladung, es könnte aber ein elektrisches Dipolmoment haben. Das PSI beschreibt es so, 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.

Das PSI erklärt, dass sich in den Messdaten, die für die Untersuchungen des Neutrons aufgenommen worden sind, auch die Existenz der Axionen zeigen könnte, da eine Begegnung mit einem Axion ein elektrisches Dipolmoment verursachen könnte. Vereinfacht gesagt würden Axionen die Form des Neutrons und damit die Verteilung der elektrischen Ladung in seinem Innern verändern.

Bisher keine Spur von Axionen

In den Messdaten des Experiments am PSI liessen sich bislang keine Hinweise auf Axionen nachweisen, ebenso wenig in den Daten eines Vorgängerexperiments an der Neutronenquelle ILL in Grenoble, die im Rahmen dieses Projekts ebenfalls neu ausgewertet wurden. Diese Labormessungen verbessern die Genauigkeit früherer Ergebnisse um bis zu einen Faktor 1000 und führen dazu, dass man die Existenz von Axionen mit bestimmten Eigenschaften zuverlässig ausschliessen kann, so das PSI. Klaus Kirch, Leiter des Labors für Teilchenphysik am PSI und Professor an der ETH Zürich, erklärt: «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.»

Prof. Klaus Kirch vor dem Herzstück des Experiments zur Bestimmung des elektrischen Dipolmoments des Neutrons am PSI.
Quelle: PSI / Markus Fischer
Quelle: 
M.B. nach PSI, Medienmitteilung, 15. November 2017