Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Noch keine Spur von Dunkler Materie

15.11.2017

Eine Art von hypothetischen Elementarteilchen, aus denen die Dunkle Materie bestehen könnte, sind die sogenannten Axionen. Sollten sie existieren, würden sie sich womöglich an einer Forschungsanlage des Paul Scherrer Instituts PSI – der Quelle ultrakalter Neutronen UCN – nachweisen lassen. Ein international zusammengesetztes Forschungsteam hat nun die Messergebnisse analysiert und gezeigt: Es wurden keine Wechselwirkungen mit Axionen beobachtet. Damit ist die Existenz von Axionen zwar nicht ausgeschlossen, aber der Spielraum an Eigenschaften, die diese Teilchen haben könnten, ist nun deutlich eingeschränkt. So leisten die Experimente einen wichtigen Beitrag zur Suche nach Dunkler Materie.

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 postulieren Forschende die Existenz von Dunkler Materie, die einen Grossteil der Materie des Universums ausmachen soll.


Klaus Kirch, Leiter des Labors für Teilchenphysik am Paul Scherrer Institut PSI und Professor an der ETH Zürich, vor dem Herzstück des Experiments.

Foto: Paul Scherrer Institut/Markus Fischer


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.

Foto: Paul Scherrer Institut/Markus Fischer

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.

Forschende 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.

Dunkle Materie am PSI nachweisen

Sollten die Axionen existieren, so würden sie sich unter bestimmten Bedingungen am Paul Scherrer Institut PSI beobachten lassen – genauer genommen an der Quelle ultrakalter Neutronen UCN, 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.

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.

Wichtige Erkenntnis: Bisher keine Spur von Axionen

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.

Text: Paul Scherrer Institut/Paul Piwnicki


Über das PSI
Das Paul Scherrer Institut PSI entwickelt, baut und betreibt grosse und komplexe Forschungsanlagen und stellt sie der nationalen und internationalen Forschungsgemeinde zur Verfügung. Eigene Forschungsschwerpunkte sind Materie und Material, Energie und Umwelt sowie Mensch und Gesundheit. Die Ausbildung von jungen Menschen ist ein zentrales Anliegen des PSI. Deshalb sind etwa ein Viertel unserer Mitarbeitenden Postdoktorierende, Doktorierende oder Lernende. Insgesamt beschäftigt das PSI 2100 Mitarbeitende, das damit das grösste Forschungsinstitut der Schweiz ist. Das Jahresbudget beträgt rund CHF 380 Mio. Das PSI ist Teil des ETH-Bereichs, dem auch die ETH Zürich und die ETH Lausanne angehören sowie die Forschungsinstitute Eawag, Empa und WSL.


Kontakt/Ansprechpartner:
Prof. Dr. Klaus Kirch
Leiter des Labors für Teilchenphysik
Paul Scherrer Institut, 5232 Villigen PSI, Schweiz
E-Mail: klaus.kirch@psi.ch
Professor für Teilchenphysik
ETH Zürich, 8093 Zürich, Schweiz
E-Mail: klaus.kirch@phys.ethz.ch

Originalveröffentlichung:
Search for axion-like dark matter through nuclear spin precession in electric and magnetic fields
C. Abel, N. J. Ayres, G. Ban, et al.
Physical Review X 7, 14 November 2017
DOI: 10.1103/PhysRevX.7.041034

Weitere Informationen:

http://psi.ch/dG8f – Darstellung der Mitteilung auf der Webseite des PSI

Paul Scherrer Institut/Paul Piwnicki | idw - Informationsdienst Wissenschaft

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Quanten-Boten kommunizieren doppelt so schnell
22.02.2018 | Österreichische Akademie der Wissenschaften

nachricht Highlight der Halbleiter-Forschung
20.02.2018 | Technische Universität Chemnitz

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Verlässliche Quantencomputer entwickeln

Internationalem Forschungsteam gelingt wichtiger Schritt auf dem Weg zur Lösung von Zertifizierungsproblemen

Quantencomputer sollen künftig algorithmische Probleme lösen, die selbst die größten klassischen Superrechner überfordern. Doch wie lässt sich prüfen, dass der...

Im Focus: Developing reliable quantum computers

International research team makes important step on the path to solving certification problems

Quantum computers may one day solve algorithmic problems which even the biggest supercomputers today can’t manage. But how do you test a quantum computer to...

Im Focus: Innovation im Leichtbaubereich: Belastbares Sandwich aus Aramid und Carbon

Die Entwicklung von Leichtbaustrukturen ist eines der zentralen Zukunftsthemen unserer Gesellschaft. Besonders in der Luftfahrtindustrie und in anderen Transportbereichen sind Leichtbaustrukturen gefragt. Sie ermöglichen Energieeinsparungen und reduzieren den Ressourcenverbrauch bei Treibstoffen und Material. Zum Einsatz kommen dabei Verbundmaterialien in der so genannten Sandwich-Bauweise. Diese bestehen aus zwei dünnen, steifen und hochfesten Deckschichten mit einer dazwischen liegenden dicken, vergleichsweise leichten und weichen Mittelschicht, dem Sandwich-Kern.

Aramidpapier ist ein etabliertes Material für solche Sandwichkerne. Sein mechanisches Strukturversagen ist jedoch noch unzureichend erforscht: Bislang fehlten...

Im Focus: Die Brücke, die sich dehnen kann

Brücken verformen sich, daher baut man normalerweise Dehnfugen ein. An der TU Wien wurde eine Technik entwickelt, die ohne Fugen auskommt und dadurch viel Geld und Aufwand spart.

Wer im Auto mit flottem Tempo über eine Brücke fährt, spürt es sofort: Meist rumpelt man am Anfang und am Ende der Brücke über eine Dehnfuge, die dort...

Im Focus: Eine Frage der Dynamik

Die meisten Ionenkanäle lassen nur eine ganz bestimmte Sorte von Ionen passieren, zum Beispiel Natrium- oder Kaliumionen. Daneben gibt es jedoch eine Reihe von Kanälen, die für beide Ionensorten durchlässig sind. Wie den Eiweißmolekülen das gelingt, hat jetzt ein Team um die Wissenschaftlerin Han Sun (FMP) und die Arbeitsgruppe von Adam Lange (FMP) herausgefunden. Solche nicht-selektiven Kanäle besäßen anders als die selektiven eine dynamische Struktur ihres Selektivitätsfilters, berichten die FMP-Forscher im Fachblatt Nature Communications. Dieser Filter könne zwei unterschiedliche Formen ausbilden, die jeweils nur eine der beiden Ionensorten passieren lassen.

Ionenkanäle sind für den Organismus von herausragender Bedeutung. Wenn zum Beispiel Sinnesreize wahrgenommen, ans Gehirn weitergeleitet und dort verarbeitet...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen - April 2018

21.02.2018 | Veranstaltungen

Tag der Seltenen Erkrankungen – Deutsche Leberstiftung informiert über seltene Lebererkrankungen

21.02.2018 | Veranstaltungen

Digitalisierung auf dem Prüfstand: Hochkarätige Konferenz zu Empowerment in der agilen Arbeitswelt

20.02.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Von Hefe für Demenzerkrankungen lernen

22.02.2018 | Biowissenschaften Chemie

Sektorenkopplung: Die Energiesysteme wachsen zusammen

22.02.2018 | Seminare Workshops

Die Entschlüsselung der Struktur des Huntingtin Proteins

22.02.2018 | Biowissenschaften Chemie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics