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 Kosmische Schlange
20.11.2018 | ESO Science Outreach Network - Haus der Astronomie

nachricht InSight: Touchdown auf dem Mars
19.11.2018 | Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung

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: Nonstop-Transport von Frachten in Nanomaschinen

Max-Planck-Forscher entdecken die Nanostruktur von molekularen Zügen und den Grund für reibungslosen Transport in den „Antennen der Zelle“

Eine Zelle bewegt sich ständig umher, tastet ihre Umgebung ab und sendet Signale an andere Zellen. Das ist wichtig, damit eine Zelle richtig funktionieren kann.

Im Focus: Nonstop Tranport of Cargo in Nanomachines

Max Planck researchers revel the nano-structure of molecular trains and the reason for smooth transport in cellular antennas.

Moving around, sensing the extracellular environment, and signaling to other cells are important for a cell to function properly. Responsible for those tasks...

Im Focus: InSight: Touchdown auf dem Mars

Am 26. November landet die NASA-Sonde InSight auf dem Mars. Erstmals wird sie die Stärke und Häufigkeit von Marsbeben messen.

Monatelanger Flug durchs All, flammender Abstieg durch die Reibungshitze der Atmosphäre und sanftes Aufsetzen auf der Oberfläche – siebenmal ist das Kunststück...

Im Focus: Weltweit erstmals Entstehung von chemischen Bindungen in Echtzeit beobachtet und simuliert

Einem Team von Physikern unter der Leitung von Prof. Dr. Wolf Gero Schmidt, Universität Paderborn, und Prof. Dr. Martin Wolf, Fritz-Haber-Institut Berlin, ist ein entscheidender Durchbruch gelungen: Sie haben weltweit zum ersten Mal und „in Echtzeit“ die Änderung der Elektronenstruktur während einer chemischen Reaktion beobachtet. Mithilfe umfangreicher Computersimulationen haben die Wissenschaftler die Ursachen und Mechanismen der Elektronenumverteilung aufgeklärt und visualisiert. Ihre Ergebnisse wurden nun in der renommierten, interdisziplinären Fachzeitschrift „Science“ veröffentlicht.

„Chemische Reaktionen sind durch die Bildung bzw. den Bruch chemischer Bindungen zwischen Atomen und den damit verbundenen Änderungen atomarer Abstände...

Im Focus: Rasende Elektronen unter Kontrolle

Die Elektronik zukünftig über Lichtwellen kontrollieren statt Spannungssignalen: Das ist das Ziel von Physikern weltweit. Der Vorteil: Elektromagnetische Wellen des Licht schwingen mit Petahertz-Frequenz. Damit könnten zukünftige Computer eine Million Mal schneller sein als die heutige Generation. Wissenschaftler der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) sind diesem Ziel nun einen Schritt nähergekommen: Ihnen ist es gelungen, Elektronen in Graphen mit ultrakurzen Laserpulsen präzise zu steuern.

Eine Stromregelung in der Elektronik, die millionenfach schneller ist als heutzutage: Davon träumen viele. Schließlich ist die Stromregelung eine der...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Personalisierte Implantologie – 32. Kongress der DGI

19.11.2018 | Veranstaltungen

Internationale Konferenz diskutiert digitale Innovationen für die öffentliche Verwaltung

19.11.2018 | Veranstaltungen

Naturkonstanten als Hauptdarsteller

19.11.2018 | Veranstaltungen

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

Für eine neue Generation organischer Leuchtdioden: Uni Bayreuth koordiniert EU-Forschungsnetzwerk

20.11.2018 | Förderungen Preise

Nonstop-Transport von Frachten in Nanomaschinen

20.11.2018 | Biowissenschaften Chemie

Wie sich ein Kristall in Wasser löst

20.11.2018 | Biowissenschaften Chemie

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