Astronomen beobachten, dass das Universum mit einer beschleunigenden Rate expandiert, aber die Ursache für diese Beschleunigung ist unbekannt. Eine Form von Energie – bekannt als Dunkle Energie – ist die populärste Erklärung und beschäftigt Wissenschaftler weltweit mit der Suche danach. Jetzt hat ein Forschungsteam mit dem KWISP-Detektor am CERN die ersten Ergebnisse ihrer Suche nach hypothetischen “Chamäleon”-Teilchen von der Sonne präsentiert, aus denen Dunkle Energie bestehen könnte.
Wie ihre Namensvettern würden sich Chamäleon-Teilchen in Abhängigkeit von ihrer Umgebung verändern. In Regionen mit hoher Dichte – so wie auf der Erde – würde ihre Masse hoch sein und ihre Kraft würde über kurze Distanzen hinweg wirken. Im Gegensatz dazu würden ihre Massen in Regionen mit geringer Dichte (etwa im Weltraum) extrem klein sein, und ihre Kraft wäre weitreichend. Dieses veränderliche Verhalten macht Chamäleon-Teilchen zu einem guten Kandidatenteilchen für Dunkle Energie. Allerdings ist es auch schwer, auf der Erde nach ihnen zu suchen.
KWISP ist ein einzigartiger Detektor, der kürzlich am CAST-Experiment installiert wurde, um die Kraft zu messen, welche von einem Strom aus Chamäleon-Teilchen von der Sonne auf eine dünne Membran ausgeübt wird. Beim Auftreffen auf die Membran würde ein solcher hypothetischer Teilchenstrom sie aus ihrer Ruheposition heraus um weniger als einen Protonenradius bewegen – etwa ein Billiardstel Meter. Diese winzige Bewegung würde durch Licht eines Laserstrahls deutlich, der durch eine spezielle optische Konfiguration gelenkt wird, zu der die Membran gehört.
Die neuen Ergebnisse von KWISP basieren auf Daten, die das CAST-Experiment im Juli 2017 etwa 90 Minuten lang gesammelt hat, während es der Sonne folgte. Die Daten waren Teil einer zehntägigen Datensammlungskampagne, um KWISP zu testen. Um die Wahrscheinlichkeit für die Entdeckung solarer Chamäleon-Teilchen zu erhöhen, ergänze das Team den KWISP-Detektor vor der Datenerhebung um zwei Elemente: ein Spiegelsystem zur Fokussierung des eintreffenden Stroms aus solaren Chamäleon-Teilchen und einen sogenannten mechanischen Chopper. Letzterer wurde zwischen dem Spiegelsystem und dem Detektor platziert, um die von dem Strom ausgeübte Kraft auf eine Weise zu modulieren, die die Empfindlichkeit des Detektors gegenüber den Teilchen maximiert.
Die Forscher beobachteten kein Signal von solaren Chamäleon-Teilchen, aber die Daten erlaubten ihnen, eine obere Grenze für die Kraft abzuleiten, die von den Teilchen auf die Membran ausgeübt würde: 44 ± 18 Pikonewton – das entspricht dem Gewicht einer einzelnen menschlichen Zelle.
Zusammen mit theoretischen Berechnungen über die Anzahl der am Detektor erwarteten solaren Chamäleon-Teilchen erlaubte dieses obere Limit das Setzen von Beschränkungen hinsichtlich der Stärke der Wechselwirkungen von solaren Chamäleon-Teilchen mit Materie und Licht. Diese Beschränkungen ergänzen die von anderen Experimenten wie dem GridPix-Detektor am CAST-Experiment beobachteten Grenzen. Der GridPix-Detektor sucht nach Röntgenphotonen von solaren Chamäleon-Teilchen.
(THK)
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