25.07.2018

Dunkle Energie bleibt mysteriös

Großer Parameterbereich für mögliche Symmetronen-Felder durch Neutronen-Experimente ausgeschlossen.

Seit vielen Jahren suchen Forscher nach der geheimnis­vollen dunklen Materie und dunklen Energie. Mit den bisher bekannten Natur­kräften und Teilchen lassen sich wichtige kosmologische Phänomene nicht erklären – etwa die beschleunigte Expansion des Universums. Immer wieder werden neue Theorien vorgeschlagen, mit denen sich die dunkle Energie erklären ließe. Ein Kandidat dafür wären „Symmetron-Felder“, die ähnlich wie das Higgs-Feld den gesamten Raum durch­dringen würden.

Abb.: Abstandssensoren messen, ob eine unbekannte Kraft auf die Neutronen wirkt. (Bild: TU Wien)

An der TU Wien haben Forscher nun Experimente entwickelt, bei denen sich mit Hilfe von Neutronen extrem kleine Kräfte messen lassen. Die Messungen fanden an der ultra­kalten Neutronen­quelle PF2 des Instituts Laue-Langevin im Rahmen einer hundert­tägigen Mess­kampagne statt. Sie hätten einen Hinweis auf die geheimnis­vollen Symmetronen liefern können – doch die Teilchen blieben unent­deckt.

Das ist noch nicht das endgültige Ende für die Symmetronen-Theorie, doch zumindest in einem großen Parameter­bereich kann man die Existenz von Symmetronen nun aus­schließen. Die dunkle Energie muss wohl auf andere Weise erklärt werden.

„Eigentlich wären Symmetronen eine sehr schöne, elegante Erklärung für die dunkle Energie“, sagt Hartmut Abele, wissen­schaftlicher Leiter des Forschungs­projekts. „Das Higgs-Feld wurde ja bereits nach­gewiesen, und das Symmetronen-Feld ist eng mit dem Higgs-Feld verwandt.“ Doch ähnlich wie beim Higgs, dessen Masse bis zu seiner Ent­deckung unbekannt war, lassen sich auch die physikalischen Eigenschaften des Symmetrons nicht genau vorher­sagen.

„Niemand kann sagen, welche Masse die Symmetronen hätten und wie stark sie mit gewöhnlicher Materie wechsel­wirken würden“, erklärt Hartmut Abele. „Deshalb ist es auch schwierig, sie im Experiment nach­zuweisen – oder definitiv zu beweisen, dass es sie nicht gibt.“ Man kann die Existenz von Symmetronen immer nur in einem bestimmten Parameter­bereich bestätigen oder aus­schließen – also Symmetronen mit Massen oder Kopplungs­konstanten in einem bestimmten Werte­bereich.

Man tastet sich daher mit unter­schiedlichen Experimenten voran, um diese Parameterbereiche zu untersuchen. Schon bisher wusste man, dass manche Bereiche aus­geschlossen werden können. So kann es etwa Symmetronen mit großer Masse und kleiner Kopplungs­stärke nicht geben, weil sie sich sonst auf atomarer Ebene bereits entdeckt hätte: Genaue Untersuchungen des Wasserstoff­atoms hätten dann andere Ergebnisse liefern müssen. Anderer­seits lassen sich auch Symmetronen in einem bestimmten Bereich mit sehr großer Kopplungs­stärke aus­schließen, weil man sie sonst bei anderen Experimenten mit großen, massiven Pendeln nach­weisen hätte können.

Dazwischen gab es bisher aber noch sehr viel Platz für mögliche Symmetronen, der nun in den Experimenten der TU Wien unter­sucht wurde. Extrem langsame Neutronen werden zwischen zwei Spiegel­platten hindurch­geschossen. Die Neutronen können sich dabei in zwei verschiedenen quanten­physikalischen Zuständen befinden. Die Energien dieser Zustände hängen davon ab, welche Kräfte auf das Neutron wirken – so wird das Neutron zum extrem sensiblen Kraft-Detektor. Würde man fest­stellen, dass ganz knapp über dem Spiegel eine andere Kraft auf das Neutron wirkt als ein Stück darüber, dann wäre das ein starker Hinweis auf die Existenz des Symmetronen-Felds. Mario Pitsch­mann von der TU Wien, Philippe Brax vom CEA bei Paris und Guillaume Pignol vom LPSC Grenoble haben den Einfluss eines Symmetron­felds auf das Neutron berechnet.

Doch obwohl die Mess­methode extrem genau ist, konnte ein solcher Effekt nicht nach­gewiesen werden. Die Genauigkeit der Vermessung von Energie­differenzen liegt beim Experiment bei etwa 2x10-15 Elektronenvolt, ein Verdienst der Dissertation von Gunther Cronenberg an der TU Wien. Das entspricht der Energie, die man benötigt, um ein einzelnes Elektron im Gravitations­feld der Erde um etwa dreißig Mikro­meter nach oben zu heben.

Die für das Experiment benötigten ultra­kalten Neutronen wurden am Instrument PF2 des Instituts Laue-Langevin bereit­gestellt. „Für derartige Präzisions­experimente bei extrem kleinen Zähl­raten ist das PF2 mit seinem welt­weit stärksten Fluss ultra­kalter Neutronen praktisch alternativ­los.“, erklärt Tobias Jenke. Er war maß­geblich an der Entwicklung des Experiments an der TU Wien beteiligt und ist heute zusammen mit Peter Geltenbort Strahl­platz­verantwortlicher der ultra­kalten Neutronen­quelle am Institut Laue-Langevin.

Es sieht insgesamt also nicht gut aus für die Theorie der Symmetronen, aber ganz wider­legt ist ihre Existenz noch nicht. „Wir konnten einen großen Parameter­bereich aus­schließen – Symmetronen mit Eigen­schaften in diesem Bereich gibt es definitiv nicht, sonst hätten wir sie gefunden“, so Abele. Um auch die verbleibenden Schlupf­löcher definitiv zu schließen, braucht man noch etwas bessere Messungen – oder eine Ent­deckung, die das Rätsel der dunklen Energie auf andere Weise löst.

TU Wien / DE

Sonderhefte

Physics' Best und Best of
Sonderausgaben

Physics' Best und Best of

Die Sonder­ausgaben präsentieren kompakt und übersichtlich neue Produkt­informationen und ihre Anwendungen und bieten für Nutzer wie Unternehmen ein zusätzliches Forum.

Weiterbildung

Weiterbildungen im Bereich Quantentechnologie
TUM INSTITUTE FOR LIFELONG LEARNING

Weiterbildungen im Bereich Quantentechnologie

Vom eintägigen Überblickskurs bis hin zum Deep Dive in die Technologie: für Fach- & Führungskräfte unterschiedlichster Branchen.

Meist gelesen

Themen