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DUNKLE MATERIE
Keine nachweisbare Wirkung auf Atomkerne
Redaktion / idw / Pressemitteilung der Universität Düsseldorf 
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6. Mai 2020

Auch wenn der größte Teil des Universums aus Dunkler Materie besteht, ist noch kaum etwas über sie bekannt. Physiker aus Düsseldorf haben nun versucht, mit einem Hochpräzisionsexperiment etwas mehr über diese mysteriöse Substanz zu erfahren und nach einer Wechselwirkung zwischen Dunkler Materie und Atomkernen gesucht. Wenn es sie geben sollte, ist diese noch kleiner als bislang angenommen.

Experiment

Das Prinzip des Experiments der Düsseldorfer Physiker: HD+- (gelb-rot) zw. Atomionen (blau) werden durch einen Laser (blau) ruhig gestellt. Eine elektromagnetische Welle (braun-rote Scheiben) regt die Molekülionen zur Rotation an. Mithilfe des grünen Laserstrahls wird die Anregung nachgewiesen. Bild: Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf [Großansicht]

Das Universum besteht zum überwiegenden Teil aus einer bislang unbekannten Substanz und einer unverstandenen Energieform. Diese sogenannte Dunkle Materie und Dunkle Energie sind weder mit dem Auge noch mit Teleskopen direkt sichtbar. Astronomen können sie nur indirekt aufgrund der Form von Galaxien und den übergeordneten Bewegungen im Kosmos nachweisen. Denn diese dunklen Formen verraten sich bisher einzig über die Gravitationskraft, die auch die kosmischen Strukturen der normalen, sichtbaren Materie bestimmt.

Es ist noch nicht bekannt, ob die Dunkle Materie auch über die anderen drei Fundamentalkräfte – elektromagnetische Kraft, schwache und starke Kernkraft – mit sich selbst und mit gewöhnlicher Materie wechselwirkt. Experimentatoren konnten – auch mit sehr aufwändigen Aufbauten – bisher keine derartige Wechselwirkung messen; wenn es sie überhaupt gibt, muss sie deshalb extrem schwach sein.

Um mehr Licht ins Dunkle zu bringen, lassen Wissenschaftler weltweit in verschiedenen neuartigen Experimente die drei nicht-gravitativen Fundamentalkräfte möglichst ungestört wirken und versuchen, diese Wirkung sehr genau zu vermessen. Gibt es Abweichungen von den erwarteten Wirkungen, können diese auf einen Einfluss von Dunkler Materie oder Energie hinweisen.

Manche dieser Experimente werden an gigantischen "Forschungsmaschinen" wie zum Beispiel am europäischen Zentrum für Teilchenphysik CERN in Genf durchgeführt. Es geht aber auch kleiner, so zum Beispiel in einem Laborexperiment in Düsseldorf, das auf höchstmögliche Präzision ausgelegt ist. Das Team um Prof. Stephan Schiller vom Institut für Experimentalphysik der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf präsentierte jetzt die Ergebnisse eines Präzisionsexperiments zur Vermessung der elektrischen Kraft zwischen dem Proton (kurz H) und dem Deuteron (kurz D).

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Beides sind sogenannte Isotope des Wasserstoffs: Während der normale Wasserstoff nur aus einem einzigen Baustein im Atomkern – einem Proton – besteht, weist das schwerere Deuteron im Kern ein Proton und ein Neutron auf. Untersucht wurde von den Düsseldorfer Physikern ein ungewöhnliches Objekt: HD+, das Ion des teilweise deuterierten Wasserstoffmoleküls. Diesem Ion fehlt eines der sonst zwei Elektronen in der Molekülhülle.

HD+ wird also nur von einem einzigen Elektron gebunden, das die abstoßende elektrische Kraft zwischen Proton und Deuteron kompensiert. Daraus resultiert ein bestimmter Abstand zwischen Proton und Deuteron, die sogenannte Bindungslänge. Um diesen Abstand zu bestimmen, haben die HHU-Physiker die Rotationsrate des Moleküls auf elf Stellen genau bestimmt, mittels einer von ihnen kürzlich entwickelten Spektroskopietechnik.

Die Forscher verwendeten dabei unter anderem Konzepte, die auch auf dem Gebiet der Quantentechnologie relevant sind, wie Teilchenfallen und laser-basierte Atomkühlung. Es ist überaus kompliziert, aus den spektroskopischen Messergebnissen auf die Bindungslänge und damit auf die Stärke der zwischen Proton und Deuteron wirkenden Kraft zu schließen. Das liegt daran, dass diese Kraft quantenphysikalische Eigenschaften besitzt. Die in den 1940er Jahren aufgestellte Theorie der Quantenelektrodynamik (QED) kommt hier zur Anwendung.

Ein Mitglied des Teams hat zwei Jahrzehnte lang die komplexen Berechnungen vorangetrieben und konnte schließlich eine hinreichend präzise Vorhersage für die Bindungslänge liefern. Diese Vorhersage stimmt mit dem Düsseldorfer Messergebnis überein. Daraus lässt sich nun schließen, wie groß höchstens eine mögliche Modifikation der Proton-Deuteron-Kraft durch Dunkle Materie sein kann. "Mein Team hat diese obere Grenze um mehr als das 20-Fache gedrückt", so Schiller. "Wir konnten zeigen, dass die Dunkle Materie noch viel weniger mit der normalen Materie wechselwirkt, als bisher noch denkbar gewesen war. Diese mysteriöse Materieform hält sich also, zumindest im Labor, weiterhin bedeckt!"

Die Ergebnisse wurden jetzt in einem Fachartikel in der Zeitschrift Nature veröffentlicht.

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siehe auch
Dunkle Materie: Mit Antimaterie auf Dunkelmaterie-Jagd - 14. November 2019
Links im WWW
Fachartikel in Nature (via SharedIt)
Universität Düsseldorf
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