Neues Experiment könnte Licht auf die Geheimnisse Dunkler Materie werfen

Das Foto zeigt ein Prototypgerät, das von dem MIT-Team entwickelt wurde, um einen sehr schmalen, hochenergetischen Elektronenstrahl für ein Experiment namens DarkLight zu produzieren. Das Gerät erfüllt die notwendigen Voraussetzungen, um ein hypothetisches Teilchen nachzuweisen, dessen Existenz in einer Theorie über Dunkle Materie vorhergesagt wird. (Photo courtesy of the researchers)
Das Foto zeigt ein Prototypgerät, das von dem MIT-Team entwickelt wurde, um einen sehr schmalen, hochenergetischen Elektronenstrahl für ein Experiment namens DarkLight zu produzieren. Das Gerät erfüllt die notwendigen Voraussetzungen, um ein hypothetisches Teilchen nachzuweisen, dessen Existenz in einer Theorie über Dunkle Materie vorhergesagt wird. (Photo courtesy of the researchers)

Dunkle Materie, von der Physiker annehmen, dass sie all die normale Materie im Universum um mehr als das Fünffache überwiegt, ist per Definition unsichtbar. Aber einigen der vielen konkurrierenden Theorien zur Beschreibung dieser schwer fassbaren Materie zufolge könnten bestimmte Merkmale, die mit Dunkler Materie in Zusammenhang stehen, nachweisbar sein. Jetzt haben Forscher des Massachusetts Institute of Technology (MIT) und anderer Einrichtungen ein Instrument entwickelt, das manche dieser Vorhersagen überprüfen und damit eine der führenden Theorien beweisen oder widerlegen könnte.

Die Arbeit wird in einer Abhandlung im Journal Physical Review Letters beschrieben. Die Physik-Professoren Richard Milner und Peter Fisher vom MIT sowie 19 weitere Forscher sind Co-Autoren der Studie.

“Wir suchen nach einem schweren Photon”, erklärte Milner. Das mag wie ein Widerspruch in sich selbst klingen: Es ist bekannt, dass Photonen – Lichtteilchen – masselos sind. Das ist der Grund dafür, dass sie sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegen. Einsteins Relativitätstheorie zufolge ist das für alles, was eine Masse besitzt, unmöglich.

Um Dunkle Materie zu erklären, haben manche Theoretiker ein exotisches Teilchen vorgeschlagen, das einem Photon ähnelt, jedoch eine Masse besitzt. Die Natur der Dunklen Materie ist unbekannt, aber ihre Existenz kann aus der gravitativen Anziehung abgeleitet werden, die sie auf normale Materie ausübt, beispielsweise bei der Art und Weise, wie Galaxien rotieren und sich zusammenfügen. Jetzt werde ein Experiment namens DarkLight nach einem schweren Photon mit einer bestimmten Energie suchen, welches in einer speziellen Theorie über Dunkle Materie postuliert wird, sagte Milner. Das Experiment wurde von Fisher und Milner in Zusammenarbeit mit Forschern des Jefferson National Accelerator Laboratory in Virginia und anderen Einrichtungen entwickelt.

Die Theorie sei mehr als nur eine theoretische Vorhersage, ergänzte er. Es gibt Hinweise auf solch ein Teilchen von anderen Experimenten, was es lohnenswert macht, eine definitive Antwort zu finden. Aber die bisherigen Anhaltspunkte, von Milner als “anomale Momente des Myons” bezeichnet, erlangen keine statistische Signifikanz. Das DarkLight-Experiment wurde entwickelt, um eine stichfeste Bestätigung der Existenz eines schweren Photons zu liefern.

“Falls es existiert, wäre das eine bedeutende Entdeckung”, sagte Milner. “Es wäre weit jenseits von allem, was wir über die physikalische Welt wissen. Ein schweres Photon wäre völlig anders als alles, was im Standardmodell erlaubt ist, dem Grundstein der modernen Teilchenphysik.”

Um die Existenz des vermuteten Teilchens namens A’ (“A prime”) zu beweisen, wird das neue Experiment einen Teilchenbeschleuniger am Jefferson Lab verwenden, der modifiziert wurde, um einen sehr schmalen Elektronenstrahl mit einer Energie von einem Megawatt zu produzieren. “Das ist eine Menge Energie”, sagte Milner. “Man kann kein Material in dessen Bahn bringen, ohne dass es durch den Strahl vernichtet wird.” Als Vergleich führte er an, dass ein heißer Ofen etwa einem Kilowatt Energie entspreche. “Der Strahl ist tausendmal stärker, gebündelt auf wenige Millionstel eines Meters.”

Die neue Abhandlung bestätigt, dass der neue Strahl der Anlage die Eigenschaften besitzt, die für den definitiven Nachweis des hypothetischen Teilchens erforderlich sind – oder genauer gesagt, um die zwei Teilchen zu registrieren, in die es zerfällt. Die präzisen Verhältnisse würden seine Existenz enthüllen. Dafür werden zwei Jahre mit fortlaufenden Vorbereitungen und Tests der Ausrüstung benötigt, gefolgt von weiteren zwei Jahren, um Daten über Millionen Elektronenkollisionen zu sammeln und nach einer winzigen statistischen Anomalie zu suchen. “Es ist ein winziger Effekt”, sagte Milner, “aber er kann immense Auswirkungen auf unsere Theorien und unser Wissen haben. Es wäre absolut bahnbrechend für die Physik.”

Obwohl das Hauptziel von DarkLight die Suche nach dem A’-Teilchen ist, ist es laut Milner auch gut ausgestattet, um andere wichtige Rätsel der Physik anzugehen. Es kann die Natur einer Reaktion im Innern von Sternen untersuchen, bei der Kohlenstoff und Helium zu Sauerstoff fusionieren – ein Prozess, der all den Sauerstoff erzeugt hat, der jetzt im Universum existiert.

“Das ist es, aus dem wir alle bestehen. Und die Rate dieser Reaktion bestimmt, wie viel Sauerstoff existiert”, sagte Milner. “Auch wenn diese Reaktionsrate sehr schwer zu messen ist, könnte das DarkLight-Experiment den Prozess auf eine neue Weise erhellen: Die Theorie ist, es andersherum zu machen. Statt Atome zu verschmelzen, um Sauerstoff zu bilden, würde das Experiment den energiereichen Strahl auf ein Sauerstoff-Ziel richten und es in Kohlenstoff und Helium spalten. Das würde eine indirekte Möglichkeit aufzeigen, um die stellare Produktionsrate zu bestimmen.”

Roy Holt, ein Mitarbeiter der Abteilung für Physik am Argonne National Laboratory in Illinois, bezeichnete diese Arbeit als eine “neue und entscheidende technische Entwicklung, die nicht nur ein neues Fenster für die Suche nach einem neuen Teilchen öffnet, sondern auch für neue Studien in der Kernphysik”. “Falls das geplante Experiment das A’-Teilchen nachweist, würde das demonstrieren, dass Dunkle Materie tatsächlich in einer Laborumgebung untersucht werden kann”, sagte er.

Die Arbeit, an der auch Forscher der Jefferson National Accelerator Facility, der Hampton University in Virginia, der Arizona State University und des Laboratory for Nuclear Science am MIT mitwirkten, wurde vom US-Energieministerium unterstützt.

Quelle: http://web.mit.edu/newsoffice/2013/dark-matter-1025.html

(THK)

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