Hinweise auf „dunkle Bosonen“ entdeckt? – Abweichungen bei großen Sprüngen können auf ein noch unbekanntes Kraftteilchen hinweisen

Signifikante Anomalie: Physiker haben möglicherweise die ersten Hinweise auf ein noch unbekanntes Kraftteilchen entdeckt – ein „dunkles Boson“. Dies wird als möglicher Kandidat für die Partikel der dunklen Materie angesehen. In dem Experiment beobachteten die Forscher Anomalien bei Quantensprüngen verschiedener Ytterbiumisotope, die auf die Auswirkungen solcher dunkler Bosonen hinweisen könnten. Ein ähnliches Experiment mit Calciumisotopen war jedoch nicht erfolgreich.

Obwohl dunkle Materie große Bereiche des Kosmos ausfüllt, ist ihre Natur immer noch ein Rätsel. Denn aus welchen Partikeln es besteht, muss noch spekuliert werden – es gibt keine Beweise. Einerseits sind mögliche Kandidaten schwere Partikel, die kaum mit normaler Materie interagieren, wie z. B. schwach wechselwirkende massive Partikel (WIMP), andererseits leichtere Partikel wie sterile Neutrinos, Die Axionen oder auch dunkle Photonen.

Eine neue Grundkraft als Begründer der Dunklen Materie?

Ein anderer Kandidat hat sich kürzlich einen Namen gemacht: das dunkle Boson. Im Gegensatz zu Materieteilchen sind Bosonen Trägerteilchen Grundkräfte, die Gluonen im Atomkern übertragen die starke Kernkraft, Photonen sind Träger elektromagnetischer Kraft und das Higgs-Boson gibt allem eine Masse. Analog wird angenommen, dass die dunklen Bosonen eine Art fünfte Grundkraft sind, die die Wechselwirkung von dunkler Materie mit normaler Materie steuert.

In der Tat, Physiker in Teilchenbeschleuniger und in Abnahmeexperimenten entdeckte einige Diskrepanzen mit Berylliumisotopen, die auf die Existenz eines noch unbekannten Bosons hinweisen könnten. Bisher sind jedoch alle diese Abweichungen nicht signifikant und eindeutig genug. Aus diesem Grund haben zwei Forschungsteams jetzt eine andere Methode verwendet, um nach dunklen Bosonen zu suchen.

Quantensprünge als Boson-Indikator

Für diese Suche vergleichen die Physiker die Quantensprünge stabiler Isotope desselben Elements. Wenn Sie den Atomen Energie hinzufügen, wechseln ihre Elektronen in einen energetisch höheren Zustand. Wann diese Änderung stattfindet, hängt von der Frequenz der stimulierenden Strahlung ab, aber auch von der Anzahl der Neutronen im Atomkern. Nach dem Standardmodell der Physik folgen die Quantensprünge in Isotopen daher einer linearen Beziehung, die im sogenannten „King Plot“ beschrieben ist.

Der Trick: Wenn dunkle Bosonen existieren, sollten sie eine winzige Kraft zwischen den Elektronen und Neutronen eines Atoms erzeugen. Dies würde wiederum das Verhalten der Atome bei Anregung und damit die Position ihrer Quantensprünge geringfügig verändern – es würde Abweichungen vom King Plot geben. Ein Team unter der Leitung von Ian Counts vom Massachusetts Institute of Technology (MIT) hat untersucht, ob dies bei fünf Ytterbium-Isotopen der Fall ist. Ein zweites Team unter der Leitung von Cyrille Solaro von der Universität Aarhus verwendete zu diesem Zweck fünf stabile Isotope von Kalzium.

In beiden Experimenten wurden die Isotope auf Temperaturen knapp über dem absoluten Nullpunkt abgekühlt und angeregt, um mit einem Laser zwei verschiedene große Sprünge zu machen. Mithilfe der Raman-Spektroskopie und eines Laserfrequenzkamms bestimmten die Forscher, bei welcher Wellenfrequenz die Sprünge stattfanden.

Anomalien im Ytterbium

Das Ergebnis: Das Aarhus-Team konnte keine signifikanten Abweichungen vom King Plot für Kalzium feststellen. Die Physiker schließen jedoch nicht aus, dass die Calciumatome einfach zu leicht waren, um die geringen Auswirkungen nachweisen zu können. Sie geben daher den Isotopen schwererer Elemente wie Barium oder Ytterbium bessere Chancen.

Tatsächlich gab es im Ytterbium-Experiment Anomalien. Weil die Quantensprünge der Isotope von der erwarteten linearen Kurve abweichen: „Der King-Plot zeigt eine Abweichung von 0,3 Millionstel von der Linearität“, berichten Counts und seine Kollegen. „Eine solche Nichtlinearität kann auf eine Physik jenseits des Standardmodells in Form eines neuen Bosonenkraftträgers hinweisen.“

Bisher ist die Bedeutung dieser Abweichungen jedoch nur drei Sigma. In der Teilchenphysik wird nur ein Wert von fünf Sigma als besondere Entdeckung angesehen. Darüber hinaus können Counts und sein Team nicht ausschließen, dass andere störende Effekte diese Anomalien nicht verursacht haben.

Die Fahndung geht weiter

Aber was bedeutet das für die Suche nach dem dunklen Boson? Die neuen Ergebnisse könnten ein erster Hinweis darauf sein, dass dieses hypothetische Teilchen existiert. Aber sie sind noch weit von Beweisen oder sogar einem soliden Hinweis entfernt. Beide Forschungsteams sind sich daher einig, dass weitere Messungen solcher Isotopensprünge nützlich und sinnvoll wären.

„In Zukunft könnte die Genauigkeit der Messungen um mehrere Größenordnungen erhöht werden, wenn Sie zwei Isotope zusammen messen“, sagen Counts und seine Kollegen. „Das würde es ermöglichen, Nichtlinearitäten unterschiedlicher Herkunft zu unterscheiden.“ (Physical Review Letters, 2020; doi: 10.1103 / PhysRevLett.125.123002;; doi: 10.1103 / PhysRevLett.125.123003)

Quelle: Amerikanische Physikalische Gesellschaft

23. September 2020

– Nadja Podbregar