Es gibt überzeugende Belege dafür, dass Dunkle Materie existiert und das Universum durchzieht, trotzdem waren alle Suchen nach den hypothetischen Teilchen, aus denen diese Materie besteht, bislang erfolglos. Im Licht dieser Null-Ergebnisse haben Forscher begonnen, das Netz für ihre Suche auszuweiten und so viele Teilchentypen wie möglich zu untersuchen, sowie neue Regionen, in denen sich die Teilchen verstecken könnten und neue Wege, um sie zu erforschen.
Die NA64 Collaboration hat jetzt mit einer Suche nach Axionen und axionähnlichen Teilchen den Bereich ihrer Suche erweitert. Ein Axion ist ein hypothetisches Teilchen, das eine Wechselwirkung zwischen Dunkler Materie und sichtbarer Materie vermitteln und abhängig von seinen genauen Eigenschaften sogar selbst Dunkle Materie sein.
Die NA64 Collaboration visierte ein unerforschtes Gebiet für Axionen und axionähnliche Teilchen an, eine Lücke in dem zweidimensionalen Gebiet ihrer potenziellen Massenwerte und Interaktionsstärke mit einem Photonenpaar. Diese Lücke umfasst nicht die Regionen, wo Axionen und axionähnliche Teilchen selbst Dunkle Materie sein könnten, aber sie schließt ein Gebiet ein, wo Axionen ursprünglich vermutet wurden, sowie ein Gebiet, wo axionähnliche Teilchen eine Wechselwirkung zwischen Dunkler Materie und sichtbarer Materie vermitteln könnten.
Um diese Lücke zu erforschen, nutzte das NA64-Team einen Elektronenstrahl des Super Proton Synchrotron mit einer Energie von 100 Gigaelektronenvolt (GeV) und richteten ihn auf ein fixiertes Ziel. Dann suchten sie nach Axionen und axionähnlichen Teilchen, die bei Wechselwirkungen zwischen hochenergetischen Photonen, welche durch die 100GeV-Elektronen entstanden, und virtuellen Photonen aus den Atomkernen des Zielobjekts. Die Wissenschaftler suchten nach den Teilchen anhand ihres Zerfalls in ein Photonenpaar in einem Detektor direkt hinter dem Zielobjekt oder anhand der “fehlenden Energie”, die die Teilchen forttragen würden, wenn sie nicht vom Detektor registriert werden.
Das NA64-Team analysierte Daten, die im Laufe von drei Jahren zwischen 2016 und 2018 gesammelt wurden. Zusammen entsprachen diese Daten rund 300 Milliarden Elektronen, die das Zielobjekt trafen. Die Wissenschaftler fanden keine Hinweise auf Axionen und axionähnliche Teilchen in diesem Datensatz, aber das Null-Ergebnis erlaubte ihnen, den erlaubten Werten für die Interaktionsstärke von Axionen und axionähnlichen Teilchen mit zwei Photonen für Teilchenmassen unter 55 Megaelektronenvolt Grenzen zu setzen.
“Wir sind sehr aufgeregt, dass wir NA64 mit in die Liste der Experimente aufgenommen haben, die nach Axionen und axionähnlichen Teilchen suchen, welche ein beliebter Kandidat für ein Austauschteilchen einer neuen Kraft zwischen sichtbarer und Dunkler Materie sind”, sagte Sergei Gninenko, der Sprecher der NA64 Collaboration. “Stück für Stück engen diese Experimente zusammen die Regionen ein, wo man nach diesen Teilchen suchen muss und sie möglicherweise finden könnte.”
(THK)
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