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Auf der Spur der geheimnisvollen Z’-Bosonen
Redaktion
/ idw / Pressemitteilung der Universität Mainz
astronews.com
11. Mai 2026
Seit vielen Jahren sucht die Astronomie und Teilchenphysik
nach Partikeln der Dunklen Materie. Eine jetzt vorgestellte Studie liefert nun
neue Erkenntnisse zu bisher unerforschten Dunkle-Materie-Kandidaten und auch
über einige Teilchen, über deren Existenz bislang nur spekuliert wurde, da sie
nicht im Standardmodell der Teilchenphysik enthalten sind.
Das Hubble Ultra Deep Field - trotz der
Galaxienvielfalt ist der größte Teil der Materie im Universum
unsichtbar.
Bild: NASA, ESA und S. Beckwith (STScI)
und das HUDF Team [Großansicht] |
Teilchen der Dunklen Materie könnten als Vermittler der Wechselwirkung
zwischen Elektronen und Atomkernen fungieren, wie eine jetzt vorgestellte Studie
von Juniorgruppenleiter Dr. Konstantin Gaul, Dr. Lei Cong und Prof. Dr. Dmitry
Budker von der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU), dem
Helmholtz-Institut Mainz (HIM) und dem Exzellenzcluster PRISMA++ zeigt. Ihre
Arbeit liefert neue Erkenntnisse zu bisher unerforschten Kandidaten für Dunkle
Materie und, ganz allgemein, zu einigen hypothetischen Teilchen, die nicht im
Standardmodell der Teilchenphysik enthalten sind.
Anhand der Ergebnisse von Präzisionsmessungen an Bariummonofluorid (BaF)-Molekülen
konnte das Team diese durch Z’-Bosonen vermittelten Wechselwirkungen erstmals
bestimmen. Z’-Bosonen sind hypothetische Vermittler der schwachen Wechselwirkung
und mögliche Teilchen der Dunklen Materie in mehreren Erweiterungen des
Standardmodells der Teilchenphysik. "Diese Ergebnisse schließen eine bedeutende
Wissenslücke in der Physik: einen Bereich der Wechselwirkungen zwischen
Elektronen und Kernen, der bislang weder durch Laborexperimente noch durch
kosmologische Daten erforscht wurde", erklärt Gaul.
Unser Universum besteht zu etwa vier Prozent aus sichtbarer oder gewöhnlicher
Materie. Dazu gehören Planeten, Sterne und das Leben auf der Erde. Die
restlichen 96 Prozent des Universums sind unsichtbar und bestehen aus Dunkler
Materie und Dunkler Energie, wobei Dunkle Materie etwa 23 Prozent ausmacht.
Astrophysikalische Beobachtungen bestätigen ihre Präsenz im gesamten Kosmos, wo
sie beispielsweise eine wichtige Rolle bei der Strukturbildung und der
Entstehung von Galaxien spielt. Man weiß jedoch nicht, aus welchen Teilchen die
Dunkle Materie besteht. Zahlreiche Theorien und laufende Experimente suchen nach
einer Antwort auf diese offene Frage.
Um den Beitrag von Z’-Bosonen zur Wechselwirkung zwischen Elektronen und
Kernen zu bestimmen, aus der die sogenannte Hyperfeinstruktur von Atomen
hervorgeht, nutzten die Autoren den Mainzer Supercomputer MOGON 2, um bestehende
Ergebnisse von Präzisionsmessungen an BaF-Molekülen neu zu interpretieren. Für
diese Studie waren nicht nur fundierte Kenntnisse der schwachen Wechselwirkung
und der Eigenschaften von Bosonen jenseits des Standardmodells erforderlich,
sondern auch solide Grundlagen in der Atom-, Molekül- und Kernphysik. Das machte
das Projekt zu einem echten interdisziplinären Vorhaben.
"Konstantin Gaul und Lei Cong sind Theoretiker der neuen Generation, die an
der Schnittstelle zwischen Atom-, Molekül- und Optikphysik sowie Teilchen- und
Kernphysik arbeiten", sagt Budker. "Ihre Einbindung in eine überwiegend
experimentell ausgerichtete Gruppe innerhalb des Helmholtz-Instituts Mainz und
von PRISMA++ hat zu äußerst produktiven Kooperationen und sehr interessanten
sowie wichtigen Ergebnissen geführt, von denen diese Arbeit nur ein Beispiel
ist."
Bei der Suche nach "neuer Physik" könnte ein solcher Ansatz Aufschluss über
seit langem offene Fragen bringen. "Da das dichte innere Umfeld polarer Moleküle
subtile physikalische Effekte auf natürliche Weise verstärkt, dienen sie als
leistungsstarke Laboratorien für die Entdeckung neuer Kräfte, die der
Wissenschaft sonst unsichtbar bleiben", so Gaul. Die Studie ergab ähnliche
Ergebnisse auch durch die Analyse des Experiments mit dem Atom Caesium-133,
einer eher traditionellen Methode zur Untersuchung der Wechselwirkungen zwischen
Elektronen und Atomkernen.
Im Gegensatz zu Studien über Experimente mit Atomen stützt sich die Analyse
von zweiatomigen Molekülen wie BaF derzeit jedoch nicht auf die Theorie der
Kernphysik, was bedeutet, dass die Ergebnisse präziser sein können, da sie nicht
von Unsicherheiten im Zusammenhang mit der Kernphysik beeinflusst werden. "Die
aktuelle Studie beweist, dass Messungen der Molekularphysik ein aufstrebendes
Werkzeug für die neue Physik sind, das mit traditionellen atomaren Methoden
konkurriert. Unsere Ergebnisse zeigen, dass zukünftige Experimente mit schweren
zweiatomigen Spezies wie BaF die Empfindlichkeit um einen Faktor 100 steigern
und uns auf der Suche nach den verborgenen Kräften des Universums tiefer auf
unerforschtes Terrain führen werden", schließt Gaul.
Die Ergebnisse wurden in der vergangenen Woche in der Fachzeitschrift
Physical Review Letters veröffentlicht.
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