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NEUTRONEN
Auf der Spur des Rätsels der Materie
Redaktion / idw / Pressemitteilung des Paul Scherrer Instituts
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28. Februar 2020

Einem Team von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern ist es gelungen, den Wert für das elektrische Dipolmoment des Neutrons genauer einzugrenzen als zuvor. Dabei stellte sich heraus, dass dieser Wert wohl sehr viel kleiner ist als man bisher angenommen hatte. Kann das Neutron also nicht mehr helfen, den Materie-Überschuss im Universum zu erklären?

HUDF

Warum gibt es Materie, wie hier in Form unzähliger Galaxien? Von einem kleinen Elementarteilchen erhoffte man sich Antworten. Bild: NASA, ESA, H. Teplitz und M. Rafelski (IPAC/Caltech), A. Koekemoer (STScI), R. Windhorst (Arizona State University) und Z. Levay (STScI) [Großansicht]

Beim Urknall entstand sowohl die Materie des Universums als auch die sogenannte Antimaterie – so zumindest die gängige Theorie. Da sich die beiden allerdings gegenseitig auslöschen, muss ein Überschuss an Materie entstanden sein, der bis heute übrig blieb. Die Ursache für diesen Materie-Überschuss ist eines der großen Rätsel der Physik und Astronomie.

Einen Hinweis auf das dahinterliegende Phänomen hoffen Forschende unter anderem mithilfe von Neutronen zu finden, den elektrisch ungeladenen Elementarbausteinen der Atome. Die Vermutung: Hätte das Neutron ein sogenanntes elektrisches Dipolmoment mit einem messbaren Betrag ungleich null, könnte dahinter das gleiche physikalische Prinzip stecken, das auch den Überhang an Materie nach dem Urknall erklären würde.

Die Suche nach dem elektrisches Dipolmoment lässt sich alltagssprachlich ausdrücken als die Frage, ob das Neutron ein elektrischer Kompass ist oder nicht. Schon lange ist klar, dass das Neutron ein magnetischer Kompass ist und auf ein Magnetfeld reagiert, oder im Fachjargon: ein magnetisches Dipolmoment hat. Sollte das Neutron zusätzlich auch ein elektrisches Dipolmoment haben, wäre dessen Wert sehr viel geringer – und daher ungleich schwieriger zu messen. Das haben bereits frühere Messungen anderer Forschungsgruppen ergeben.

Daher mussten die Forschenden am Paul Scherrer Institut PSI bei ihrer jetzigen Messung das lokale Magnetfeld mit hohem Aufwand sehr konstant halten. Selbst jeder Lastwagen, der auf der Landstraße neben dem PSI vorbeifuhr, störte das Magnetfeld in einer für dieses Experiment relevanten Größenordnung und musste daher aus den Versuchsdaten herausgerechnet werden. Auch die Anzahl der beobachteten Neutronen musste entsprechend groß sein, um eine Chance zu haben, ihr elektrisches Dipolmoment zu messen. Am PSI liefen die Messungen daher über einen Zeitraum von zwei Jahren.

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Vermessen wurden sogenannte ultrakalte Neutronen, also Neutronen mit vergleichsweise langsamer Geschwindigkeit. Alle 300 Sekunden wurde für acht Sekunden ein Bündel mit über 10.000 Neutronen zum Experiment gelenkt und untersucht. Insgesamt vermassen die Forschenden 50.000 solcher Bündel. "Das war selbst für das PSI mit seinen Großforschungsanlagen eine ziemlich umfangreiche Studie", sagt Philipp Schmidt-Wellenburg, Forscher am Elektrisches-Dipolmoment-Projekt vonseiten des PSI. "Aber genau das ist heutzutage nötig, wenn wir nach Physik jenseits des Standardmodells suchen."

Das neue Resultat entstand durch die Zusammenarbeit von Forschenden an 18 Instituten und Hochschulen in Europa und den USA. Die Daten hatten sie an der Quelle für ultrakalte Neutronen des PSI gesammelt. Die Forschenden hatten dort über zwei Jahre hinweg Messdaten gewonnen, sie in zwei Teams sehr sorgfältig ausgewertet und dadurch ein genaueres Ergebnis als je zuvor erhalten. Das Forschungsprojekt ist Teil der Suche nach sogenannter "neuer Physik", die über das sogenannte Standard-Modell hinausgeht. Nach dieser wird auch an noch größeren Anlagen wie dem Large Hadron Collider LHC des CERN gesucht.

"Die Forschung am CERN geht in die Breite und sucht allgemein nach neuen Teilchen und deren Eigenschaften", erläutert Schmidt-Wellenburg. "Wir dagegen gehen in die Tiefe, denn wir schauen lediglich eine Eigenschaft eines Teilchens an, des Neutrons. Dafür aber erreichen wir in diesem Detail eine Genauigkeit, die der LHC vielleicht erst in 100 Jahren erlangen würde."

"Letztlich", so Georg Bison, der wie Schmidt-Wellenburg Forscher im Labor für Teilchenphysik am PSI ist, "zeigen verschiedene kosmologische Beobachtungen Abweichungen vom Standardmodell. Im Labor dagegen hat man sie noch nicht nachstellen können. Das ist eine der sehr großen Fragen der modernen Physik und macht unsere Arbeit so spannend."

Mit ihrem neuesten Experiment ist es den Forschenden nicht anders ergangen. "Auch unser jetziges Ergebnis hat einen Wert für das elektrisches Dipolmoment ergeben, der zu klein ist, um ihn mit unseren bisherigen Instrumenten zu messen – der Wert ist zu nahe an Null", so Schmidt-Wellenburg. "Es ist damit also unwahrscheinlicher geworden, dass das Neutron hilft, den Materie-Überschuss zu erklären. Aber ganz ausgeschlossen ist es weiterhin nicht. Und in jedem Fall ist die Wissenschaft am genauen Wert des elektrisches Dipolmoments interessiert, um zu erfahren, ob sich hierüber neue Physik entdecken lässt."

Daher ist die nächste, noch genauere Messung bereits in Planung. "Als wir im Jahr 2010 die jetzige Quelle für ultrakalte Neutronen hier am PSI in Betrieb genommen haben, wussten wir bereits, dass das restliche Experiment ihr noch nicht gerecht wird. Daher bauen wir derzeit ein entsprechend größeres Experiment auf", erklärt Bison. Ab 2021, so sehen die PSI-Forschenden vor, soll daran die nächste Messreihe starten und die jetzige wiederum in ihrer Genauigkeit übertreffen. "Wir haben in den letzten zehn Jahren sehr viele Erfahrungen gesammelt und sie für die stetige Optimierung unseres Experiments nutzen können – sowohl hinsichtlich unserer Neutronenquelle als auch allgemein zur bestmöglichen Auswertung solch komplexer Daten in der Teilchenphysik", freut sich auch Schmidt-Wellenburg. "Die jetzige Publikation hat international einen neuen Standard gesetzt."

Über ihre Ergebnisse berichtet das Teams in einem Fachartikel, der in der Zeitschrift Physical Review Letters erschienen ist.

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Mit Neutronen auf der Spur des Rätsels der Materie. Diskutieren Sie mit anderen Lesern im astronews.com Forum.
siehe auch
Teilchenphysik: Mit Neutronen der Dunklen Energie auf der Spur - 23. April 2014
Neutronenexperiment: Der Antimaterie auf der Spur - 14. August 2008
Links im WWW
Paul Scherrer Institut
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