Alle bekannten Elementarteilchen besitzen elektrische Ladungen, die ganzzahlige Vielfache von einem Drittel der Elektronenladung sind. Aber manche Theorien sagen die Existenz von Elementarteilchen voraus, die eine Ladung besitzen, welche viel kleiner als die Elektronenladung ist. Diese könnten mit der schwer nachweisbaren Dunklen Materie im Universum in Zusammenhang stehen.
Ein internationales Forschungsteam hat jetzt mit dem Large Hadron Collider die erste Suche nach Elementarteilchen mit Ladungen kleiner als ein Zehntel der Elektronenladung durchgeführt.
Viele frühere Studien haben versucht, derartige Teilchen zu finden – sowohl direkt mit Beschleuniger-Experimenten und anderen Experimenten als auch indirekt mittels astronomischer Beobachtungen –, aber sie waren erfolglos. Aber solche Teilchen mit Massen zwischen einer Milliarde Elektronenvolt (1 GeV) und 100 GeV blieben weitgehend unerforscht, weil die aktuellen Detektoren für solche Teilchen nicht empfindlich genug sind.
Hier könnte ein vorgeschlagener Detektor namens milliQan etwas bewirken. Der Detektor wäre für solche Teilchen im Massenbereich von 1-100 GeV empfindlich, welche bei Proton-Proton-Kollisionen am LHC entstehen. Der Detektor muss noch genehmigt werden und falls er genehmigt wird, muss er noch gebaut werden. Aber im Jahr 2017 wurde ein Detektor zu Demonstrationszwecken am LHC installiert, der etwa einem Prozent des kompletten Detektors entspricht. Dieser Detektor sammelte im Jahr 2018 Daten und lieferte jetzt vielversprechende Ergebnisse.
Die Daten des Demonstrationsdetektors schließen die Existenz solcher gering geladenen Teilchen mit Massen zwischen 20 und 4.700 Megaelektronenvolt für Ladungen zwischen dem 0,006-fachen und dem 0,3-fachen der Elektronenladungen aus, abhängig von der Masse. Die Ergebnisse stimmen mit jenen von anderen Experimenten überein und repräsentieren den ersten Ausflug eines Hadronenbeschleunigers in das Gebiet der Teilchen mit einer Ladung von weniger als der 0,1-fachen Elektronenladung.
„Wir sind mit diesen Ergebnissen des Demonstrationsdetektors sehr zufrieden. Er hat das ursprüngliche Ziel sicher erreicht und Feedback zu unserem Design und Erfahrung mit dem Betrieb gegeben. Aber zu zeigen, dass wir nur mit einem 1%-Prototypen den Eigenschaften solcher gering geladenen Teilchen bereits neue Grenzen auferlegen konnten, war ein schöner Bonus. Wir sind jetzt recht zuversichtlich, dass der komplette milliQan-Detektor wie erwartet funktionieren wird, und wir freuen uns darauf, die Finanzierung zu sichern, damit das geschehen kann“, sagte Chris Hill, ein Sprecher der milliQan Collaboration.
(THK)
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