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TEILCHENPHYSIK
Mit Neutronen der Dunklen Energie auf der Spur
Redaktion / idw / Pressemitteilung der TU Wien
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23. April 2014

Auch im Labor sind Wissenschaftler auf der Suche nach neuen Teilchen und Abweichungen vom Standardmodell der Physiker, die etwa die Dunkle Energie und die Dunkle Materie erklären könnten. Mit der in Wien entwickelten Gravitations-Resonanz-Methode konnte nun der mögliche Parameterbereich für hypothetische Teilchen deutlich eingeschränkt werden.

Neutronen

Neutronen zwischen parallelen Platten geben Aufschluss über mögliche bislang unentdeckte Kräfte im Universum. Bild: TU Wien 

Alle Teilchen, die wir heute kennen, machen nur fünf Prozent der Masse und Energie im Universum aus. Der große Rest - die "Dunkle Energie" und die "Dunkle Materie" – bleibt bis heute mysteriös. Ein Team der Technischen Universität Wien führte gemeinsam mit Forschern des Institut Laue-Langevin in Grenoble jetzt hochsensitive Untersuchungen von Gravitations-Effekten auf winzigen Abständen durch. Damit wollen sie den Bereich, in dem man neue Teilchensorten oder zusätzliche Naturkräfte vermuten könnte, hunderttausend Mal stärker einschränken als bisher.

Die Dunkle Materie kann man zwar nicht sehen, sie wirkt aber durch ihre Gravitationskraft auf die bekannte Materie ein, etwa auf die Rotation von Galaxien. Die Dunkle Energie hingegen ist dafür verantwortlich, dass sich das Universum immer schneller ausdehnt. Dunkle Energie kann man mit einer zusätzlichen physikalischen Größe beschreiben, mit Albert Einsteins kosmologischer Konstante.

Eine Alternative dazu stellen die sogenannten Quintessenz-Theorien dar: "Vielleicht ist der leere Raum gar nicht leer, sondern erfüllt von einem bisher unbekannten Feld, vergleichbar mit dem Higgs-Feld", erklärt Prof. Hartmut Abele vom Atominstitut der TU Wien. Benannt wurden diese Theorien nach der von Aristoteles postulierten Quintessenz, einem hypothetischen fünften Element neben den vier antiken Urstoffen.

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Andersartige Teilchensorten und zusätzliche Naturkräfte müssten sich allerdings auch in Experimenten auf der Erde nachweisen lassen. Abele entwickelte daher mit seinem TU-Kollegen Tobias Jenke ein extrem sensitives Instrument, mit dem an der Neutronenquelle des ILL in Grenoble die Gravitationskraft vermessen werden konnte. Neutronen sind dafür optimal geeignet: Sie sind elektrisch neutral und kaum polarisierbar. Auf sie kann im Experiment bloß die Gravitation wirken - und allenfalls auch neue, bisher unbekannte Zusatzkräfte.

Für das Experiment werden die Neutronen abgekühlt und zwischen zwei parallele Platten hindurchgeschickt. Nach den Gesetzen der Quantenphysik kann sich das Neutron dabei nur in ganz bestimmten Zuständen mit ganz bestimmten Energien befinden, die von der Stärke der Kraft abhängt, die von der Gravitation auf das Teilchen ausgeübt wird. Indem man die untere Platte vibrieren lässt, kann man die Neutronen zwischen den Zuständen hin und her wechseln lassen. So lassen sich die Abstände der Energieniveaus vermessen.

"Das Experiment ist ein wichtiger Schritt zur Modellierung gravitativer Wechselwirkungen bei sehr kleinen Distanzen. Die Neutronen am ILL und die Messinstrumente aus Wien bilden zusammen das beste Werkzeug, um nach winzigen Abweichungen von der Newton'schen Gravitationstheorie zu suchen, die von manchen Theorien vorhergesagt werden", sagt Peter Geltenbort vom ILL Grenoble.

Wie leicht eine solche Abweichung aufzufinden ist, hängt von verschiedenen Parametern ab - zum Beispiel von der Stärke der Kopplung eines hypothetischen neuartigen Feldes an die bekannte Materie. Bestimmte Wertebereiche für diese Parameter gelten längst als ausgeschlossen: Gäbe es eine "Quintessenz" mit solchen Kopplungsstärken, hätte man sie bereits in anderen Präzisions-Experimenten finden müssen. Doch noch immer blieb ein großer "erlaubter" Parameterbereich, in dem sich neue physikalische Phänomene verstecken könnten.

Mit der Neutronen-Methode lassen sich nun allerdings Theorien in diesem Bereich testen: "Bisher konnten wir bei unseren Messungen keine Abweichungen zum bekannten Newton'schen Gravitationsgesetz finden", so Abele. "Dadurch können wir nun einen weiten Bereich von Parametern ausschließen." Die Messergebnisse legen nun ein Limit für den Kopplungsparameter fest, das hunderttausend Mal unterhalb der Grenzen liegt, die sich aus anderen Messmethoden ergaben.

Auch wenn sich auf diese Weise bestimmte hypothetische Teilchen ausschließen lassen, ist es freilich noch immer möglich, dass sich unterhalb dieser verbesserten Nachweisgrenze neuartige Physik versteckt. Die von den Wiener Wissenschaftlern entwickelte Gravitations-Resonanz-Methode soll daher nun noch weiter verbessert werden. Einige Größenordnungen an Genauigkeits-Verbesserung scheinen noch möglich. Wenn sich auch dann keine Hinweise auf Abweichungen von den bekannten Kräften ergeben, könnte Albert Einstein schließlich noch Recht behalten: Seine kosmologische Konstante erscheint dann immer plausibler.

Einen Fachartikel über die Untersuchungen hat das Team inzwischen zur Veröffentlichung eingereicht.

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siehe auch
Gravitation: Gravitationsmessungen mit Neutronen - 18. April 2011
Links im WWW
Preprint des Fachartikels bei arXiv.org
Technische Universität Wien
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