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Auf der Suche nach der Spiegelwelt
Redaktion
/ Pressemitteilung des Paul Scherrer Instituts
astronews.com
4. August 2026
Schon seit Jahrzehnten gibt es die Vermutung in der Physik,
es könnte eine Spiegelwelt existieren, die mit unserer Realität nur in äußerst
schwachem Kontakt steht. Die Teilchen dieser Spiegelwelt gelten auch als
Kandidaten für die Dunkle Materie, sind aber schwer zu fassen. Durch die
Vermessung von rund 25 Milliarden Neutronen hat man versucht, ihnen auf die Spur
zu kommen.
Die beiden PSI-Forscher Bernhard Lauss (links) und Geza
Zsigmond haben an der Ultrakalten Neutronenquelle des PSI rund
25 Milliarden Neutronen vermessen.
Bild: Markus Fischer / Paul
Scherrer Institut PSI [Großansicht] |
Es klingt wie eine Idee aus der Science-Fiction, doch sie stammt von
renommierten Forschenden aus der theoretischen Physik: Neben unserer
gewöhnlichen Realität könnte es eine sogenannte Spiegelwelt geben, wobei jede
Art Elementarteilchen eine entsprechende Art Spiegelteilchen besäße. Dann gäbe
es also Spiegelelektronen genauso wie Spiegelprotonen oder Spiegelneutronen.
Laut dieser Theorie sind allerdings kaum Wechselwirkungen zwischen normalen und
Spiegelteilchen zu erwarten. "Im Wesentlichen spüren sich beide Teilchensorten
gegenseitig über die Gravitationskraft", sagt Geza Zsigmond, Wissenschaftler am
Zentrum für Neutronen- und Myonenforschung des Paul Scherrer Instituts PSI.
Trotz jahrzehntelanger Suche konnten diese mysteriösen Spiegelteilchen nie
nachgewiesen werden. Zwar haben Ergebnisse bei jüngeren Experimenten am Institut
Laue-Langevin in Frankreich die Spekulationen zu Spiegelneutronen wieder
aufflammen lassen; doch nun konnten PSI-Forschende mit einem neuen Experiment,
das weltweit unübertroffene Präzision erzielt hat, größere Klarheit schaffen:
Mit sehr hoher Wahrscheinlichkeit kann man die Verwandlung von Neutronen in ihre
Spiegelversion ausschließen.
Gerade weil Spiegelteilchen fast keine Wechselwirkung mit normaler Materie
eingehen, ist die Suche nach ihnen sehr schwierig. Sie treten nur auf zwei
Weisen mit unserer bekannten Materie in Kontakt: entweder über die Schwerkraft
oder über seltene Oszillationen neutraler Teilchen. Deshalb gelten
Spiegelteilchen auch als Kandidaten für die sogenannte Dunkle Materie im
Universum. Denn diese macht zwar wesentlich mehr Masse im Weltall aus als unsere
gewöhnliche Materie, aber ihre Natur ist völlig unverstanden. Gerade weil
Spiegelteilchen so schwach mit unserer Welt wechselwirken, könnten sie für die
Dunkle Materie verantwortlich sein.
"Es gibt keine Chance, die Existenz von Spiegelteilchen rein über die
Schwerkraft nachzuweisen", sagt Bernhard Lauss, der am Zentrum für Neutronen-
und Myonenforschung des PSI die Forschungsgruppe zu ultrakalter Neutronenphysik
leitet. "Wir haben uns deshalb auf die andere Eigenschaft von Spiegelteilchen
konzentriert, nämlich dass neutrale Teilchen gemäß dieser Hypothese zwischen
unserer normalen Materie und der Spiegelwelt hin und her oszillieren könnten."
Ein neutrales Teilchen wie das Neutron könnte also – sehr selten – einfach von
unserer Weltbühne verschwinden und sich in ein Spiegelteilchen verwandeln. Nach
einiger Zeit könnte es dann wie aus dem Nichts wieder auftauchen.
"Neutronen bieten sich für diese Untersuchung an, weil sie erstens elektrisch
neutral sind und weil sie zweitens eine seltsame Eigenschaft besitzen", ergänzt
Zsigmond. "So scheinen Neutronen unterschiedliche Lebensdauern zu besitzen, je
nachdem auf welche Weise man diese misst." Ein Teil dieser Diskrepanz könnte
daran liegen, dass manche Neutronen während der Messung in die Spiegelwelt
"abtauchen". Um diesem eigenartigen Verhalten auf die Schliche zu kommen, haben
die PSI-Forschenden gemeinsam mit Forschenden von der ETH Zürich und der
Jagiellonen-Universität in Krakau ein ausgeklügeltes Experiment ersonnen.
Sie haben Neutronen, die mit dem hochintensiven Protonenbeschleuniger am PSI
in großer Menge produziert werden, stark abgebremst und auf diese Weise
sogenannte ultrakalte Neutronen erzeugt. Diese haben sie dann in einem
speziellen, unmagnetischen Vakuum-Edelstahlbehälter gefangen. Dazu waren erstens
sehr viele ultrakalte Neutronen nötig – die PSI-Quelle ist Weltspitze in deren
Produktion – und zweitens mussten die Magnetfeldspulen, die den Behälter
umgeben, mit höchster Präzision kontrolliert werden. Denn die
Wahrscheinlichkeit, dass Neutronen in die Spiegelwelt und wieder zurück in
unsere Welt wechseln, hängt sehr empfindlich von den anliegenden Magnetfeldern
ab.
Das Team hat deshalb alle fünf Minuten rund 1,5 Millionen Neutronen in einem
großen Edelstahltank gespeichert. Nach jeweils rund 200 Sekunden wurde er
entleert und die Forschenden ermittelten, wie viele Neutronen noch erhalten
waren. Dies wurde über mehrere Monate hinweg wiederholt, sodass insgesamt rund
25 Milliarden Neutronen vermessen wurden. "Dabei haben wir das Magnetfeld und
seine Richtung im Lauf der Zeit schrittweise verändert, um alle relevanten
Bereiche durchzuscannen, bei denen Oszillationen zwischen Neutronen und
Spiegelneutronen zu erwarten gewesen wären", so Lauss. "Aber wir haben überhaupt
keinen Hinweis auf solche Oszillationen gesehen."
Mit diesen Ergebnissen lassen sich alle bisherigen Spekulationen zur
Verwandlung in Spiegelteilchen mit sehr hoher Wahrscheinlichkeit ausschließen.
Das PSI-Experiment ist das weltweit beste dieser Art und setzt für absehbare
Zeit den Maßstab. Weitere substanzielle Verbesserungen wären sehr aufwendig.
"Wir sind auch stolz, dass viele junge Leute bei diesem Experiment mitwirken
konnten", betont Lauss. So entstanden im Rahmen der Untersuchungen zwei
Promotionsarbeiten gemeinsam mit der ETH Zürich; darüber hinaus waren viele
Studierende am Experiment beteiligt.
Auch wenn kein Hinweis auf eine spektakuläre Spiegelwelt gefunden wurde, ist
das Ergebnis dieser Studie wichtig für die Teilchenphysik. "Indem wir den
Spielraum für bestimmte Spekulationen einschränken, zeigen wir den Forschenden
in der theoretischen Physik auf, dass sie neue Wege gehen müssen", schließt
Zsigmond. "Nur durch solche Impulse kann die Physik sich weiterentwickeln."
Die Ergebnisse wurden jetzt in der Fachzeitschrift Physical Review
Letters veröffentlicht.
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