20.07.2023

Axionen bleiben dunkel

Suche nach axionartigen Teilchen der dunklen Materie liefert schärfere Grenzen.

Zum ersten Mal haben Wissenschaftler ein vielversprechendes neues Verfahren angewandt, um in einem Teilchen­beschleuniger nach Teilchen der dunklen Materie zu suchen. Die von den Forschern der internationalen JEDI-Kollaboration genutzte Methode beruht auf der Beobachtung der Spin-Polarisation eines Teilchenstrahls im Jülicher Speicherring COSY.

 

Abb.: In ihrem Experiment nutzte die JEDI-Kollaboration eine besondere...
Abb.: In ihrem Experiment nutzte die JEDI-Kollaboration eine besondere Eigenschaft des Jülicher Teilchen­beschleunigers COSY aus: die Verwendung von polarisierten Strahlen. (Bild: R.-U. Limbach / FZJ)

Etwa achtzig Prozent der Materie im Universum besteht aus einem unbekannten und unsichtbaren Stoff. Postuliert wurde diese dunkle Materie bereits vor etwa neunzig Jahren. „Nur so ließ sich die Geschwindigkeits­verteilung der sichtbaren Materie innerhalb von Galaxien mit dem bisherigen Wissen in Einklang bringen“, erklärt Jörg Pretz, stellvertretender Direktor am Jülicher Institut für Kernphysik und Professor an der RWTH Aachen. „Eine ‚dunkle‘, bisher unbeobachtete Form von Materie muss die Galaxien zusätzlich stabilisieren.“

Seit den 1930er Jahren sind Physiker auf der Suche nach dieser Materie. An Theorien mangelt es der Wissenschaft nicht, doch bisher ist es noch niemandem gelungen, dunkle Materie tatsächlich nachzuweisen. „Denn ihre Natur ist noch völlig ungeklärt“, so Volker Hejny, ebenfalls vom Jülicher Institut für Kernphysik und wie sein Kollege Jörg Pretz Mitglied der internationalen JEDI-Kollaboration, die das Experiment durchgeführt hat. JEDI steht für Juelich Electric Dipole moment Investigations – die Wissenschaftler der Kollaboration arbeiten seit 2011 an der Messung elektrischer Dipolmomente geladener Teilchen. „Dunkle Materie ist nicht sichtbar, und verrät sich bisher nur indirekt durch ihre Schwerkraft. Deren Wirkung ist vergleichsweise winzig, so dass sie erst bei enorm großen Massen – wie eben ganzen Galaxien – wirklich in Erscheinung tritt.“

Theoretische Physiker haben bereits eine Reihe hypothetischer Elementarteilchen vorgeschlagen, aus denen die dunkle Materie bestehen könnte. Je nach den Eigenschaften dieser Teilchen ergeben sich unterschiedliche Verfahren, durch die sie möglicherweise nachgewiesen werden können – Verfahren, die ohne den sehr schwierigen Nachweis der Gravitationswirkung auskommen. Zu den Kandidaten gehören auch Axionen und axion-artige Teilchen. „Ursprünglich sollten Axionen ein Problem in der Theorie der starken Wechselwirkung der Quantenchromodynamik lösen“, erläutert Jörg Pretz. „Der Name Axion geht auf den Physik-Nobelpreisträger Frank Wilczek zurück und bezieht sich auf eine Waschmittelmarke: Die Existenz der Teilchen sollte sozusagen die Theorie der Physik ‚reinwaschen‘.“

Um die Axionen nachzuweisen, nutzten die Wissenschaftler der JEDI-Kollaboration die Spins von Teilchen, wie bei der MRT-Technik. Während sich in einem normalen MRT die Atome in Ruhe befinden, bewegen sich die Teilchen in einem Beschleuniger nahezu mit Lichtgeschwindigkeit. Das macht die Untersuchungen in einigen Bereichen viel empfindlicher und die Messungen genauer.

In ihrem Experiment nutzten die JEDI-Wissenschaftler eine besondere Eigenschaft des Jülicher Teilchenbeschleunigers COSY aus: die Verwendung von polarisierten Strahlen. „In einem gewöhnlichen Teilchenstrahl zeigen die Spins der Teilchen in beliebige Richtungen“, so Jörg Pretz. „Bei einem polarisierten Teilchenstrahl werden die Spins entlang einer Richtung ausgerichtet.“ Nur wenige Beschleuniger in der Welt verfügen über diese Möglichkeit.

Falls uns, wie die Wissenschaftler vermuten, ein Hintergrundfeld von Axionen umgibt, dann würde dieses die Bewegung der Spins beeinflussen – und könnte letztendlich so im Experiment nachgewiesen werden. Jedoch: Der erwartete Effekt ist winzig. Noch sind die Messungen nicht genau genug. Doch auch wenn bei dem JEDI-Experiment noch keine Hinweise für dunkle Materieteilchen gefunden werden konnten, haben es die Forscher geschafft, den möglichen Wechsel­wirkungs-Effekt weiter einzugrenzen. Noch bedeutender: Sie konnten eine neue und vielversprechende Methode für die Suche nach dunkler Materie etablieren.

FZJ / DE

 

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