Villigen (Schweiz) – Seit Jahrzehnten diskutieren Physiker die Möglichkeit einer sogenannten Spiegelwelt – eines verborgenen Paralleluniversums, das aus Spiegelversionen aller bekannten Elementarteilchen bestehen könnte. Diese hypothetischen Spiegelteilchen gelten zudem als mögliche Kandidaten für die rätselhafte Dunkle Materie. Ein internationales Forschungsteam hat diese Hypothese nun mit einem der weltweit präzisesten Experimente überprüft.
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Wie das Team um Dr. Nicholas J. Ayres vom Paul Scherrer Instituts (PSI) aktuell im Fachjournal „Physical Review Letters“ (DOI: 10.1103/2qck-n6mb) berichtet, fanden sie keine Hinweise darauf, dass etwa Neutronen in eine solche Spiegelwelt wechseln.
Spiegelteilchen als Kandidaten für Dunkle Materie
Die Idee einer „Spiegelwelt“ geht davon aus, dass jedem bekannten Elementarteilchen – etwa Elektronen, Protonen oder Neutronen – ein entsprechendes Spiegelteilchen gegenübersteht. Zwischen beiden Welten gäbe es jedoch kaum Wechselwirkungen. Nach der Theorie würden sich gewöhnliche Materie und Spiegelmaterie im Wesentlichen nur über die Gravitation beeinflussen.
Gerade diese schwache Kopplung macht Spiegelteilchen für die Forschung besonders interessant. Sie könnten erklären, woraus die Dunkle Materie besteht, die einen Großteil der Materie im Universum ausmachen soll, deren Natur jedoch bis heute ungeklärt ist.
Bislang gelang allerdings kein experimenteller Nachweis solcher Teilchen. Neue Spekulationen waren zuletzt durch Ergebnisse anderer Experimente am Institut Laue-Langevin in Frankreich aufgekommen. Die nun vorgestellte Untersuchung des PSI sollte diese Vermutungen mit bislang unerreichter Präzision überprüfen.
Verschwinden Neutronen in eine Spiegelwelt?
Da Spiegelteilchen praktisch nicht direkt nachweisbar wären, konzentrierte sich das PSI-Forschungsteam auf eine theoretisch mögliche Eigenschaft neutraler Teilchen wie Neutronen: Diese könnten zwischen unserer Welt und einer Spiegelwelt oszillieren. In diesem Fall würde ein Neutron für kurze Zeit aus unserer Realität verschwinden, indem es sich in ein Spiegelneutron verwandelt, und später wieder auftauchen.
Neutronen eignen sich für diese Suche besonders gut. Zum einen besitzen sie keine elektrische Ladung. Zum anderen geben sie den Forschenden seit Langem ein Rätsel auf: Je nach Messmethode ergeben sich unterschiedliche Werte für ihre Lebensdauer. Eine mögliche Erklärung lautete bislang, dass während der Messungen einzelne Neutronen vorübergehend in eine Spiegelwelt wechseln könnten.
25 Milliarden ultrakalte Neutronen untersucht
Um diese Hypothese zu testen, entwickelten Forschende des PSI gemeinsam mit Kollegen und Kolleginnen der ETH Zürich und der Jagiellonen-Universität Krakau ein aufwendiges Experiment: Dabei wurden Neutronen zunächst mithilfe des hochintensiven Protonenbeschleunigers des PSI erzeugt und anschließend stark abgebremst. So entstanden sogenannte ultrakalte Neutronen, die sich in einem speziell konstruierten, unmagnetischen Edelstahl-Vakuumbehälter speichern ließen.
Die weltweit führende Quelle für ultrakalte Neutronen am PSI machte es möglich, besonders große Teilchenmengen zu untersuchen. Gleichzeitig kontrollierten die Forschenden die Magnetfelder rund um den Behälter mit höchster Präzision. Denn nach der Theorie hängt die Wahrscheinlichkeit eines Wechsels zwischen normalem Neutron und Spiegelneutron empfindlich von Stärke und Richtung des Magnetfeldes ab.
Alle fünf Minuten wurden rund 1,5 Millionen ultrakalte Neutronen in den Behälter eingebracht. Nach einer Speicherzeit von etwa 200 Sekunden bestimmten die Forschenden, wie viele Teilchen verblieben waren. Dieses Verfahren wurde über mehrere Monate hinweg wiederholt. Insgesamt analysierte das Team rund 25 Milliarden Neutronen.
Kein Hinweis auf Oszillationen
Während der Messkampagne variierten die Forschenden schrittweise sowohl Stärke als auch Richtung der Magnetfelder, um sämtliche theoretisch relevanten Bereiche abzudecken, in denen ein Wechsel zwischen Neutronen und Spiegelneutronen zu erwarten gewesen wäre.
Das Ergebnis fiel eindeutig aus: In keinem der untersuchten Bereiche fanden sich Hinweise auf die vorhergesagten Oszillationen. Nach Einschätzung des Forschungsteams lassen sich damit bisherige Spekulationen über eine Verwandlung von Neutronen in Spiegelteilchen mit sehr hoher Wahrscheinlichkeit ausschließen.
Die Untersuchung gilt als das bislang präziseste Experiment dieser Art weltweit. Nach Angaben der Forschenden wären weitere deutliche Verbesserungen der Messgenauigkeit nur mit erheblichem technischem Aufwand möglich.
Wichtige Grenzen für neue Theorien
Auch wenn die Suche nach einer Spiegelwelt erfolglos blieb, bewerten die Forschenden das Ergebnis als wichtigen Fortschritt für die Grundlagenphysik. Negative Resultate helfen dabei, theoretische Modelle einzugrenzen und Hypothesen zu überprüfen.
Die Studie schränkt den Spielraum für Modelle ein, die auf einer Oszillation von Neutronen in Spiegelteilchen beruhen. Damit liefert sie der theoretischen Physik wichtige Hinweise darauf, welche Ansätze künftig überarbeitet oder neu entwickelt werden müssen. Nach Ansicht des Forschungsteams sind solche klaren experimentellen Grenzen ein wesentlicher Motor für den wissenschaftlichen Fortschritt.
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Physiker suchen Beweise für Spiegel-Materie 20. August 2019
Recherchequelle: PSI
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