Quelle: Johannes Gutenberg-Universität Mainz 11. Dezember 2023.

11. Dezember 2023 – Die Forschungsgruppe von Prof. Dr. Matthias Schott vom Exzellenzcluster PRISMA+ der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) hat heute die Ergebnisse einer umfangreichen Messreihe am ATLAS Detektor des Large Hadron Collider (LHC) veröffentlicht. Die Daten wurden während der zweiten Laufzeit des LHC zwischen 2015 und 2018 aufgenommen. Ziel des experimentell anspruchsvollen Messprogramms ist die Suche nach axionartigen Teilchen, die bei bestimmten Zerfällen des Higgs-Teilchen entstehen könnten – und als neuartige Teilchen die Abweichung des experimentell bestimmten anomalen magnetischen Moments des Myons von seiner theoretischen Vorhersage erklären könnten. Die Arbeiten werden durch einen ERC Consolidator Grant von Matthias Schott finanziert. Sie stellen den experimentellen Test eines von Prof. Dr. Matthias Neubert, theoretischer Physiker und Sprecher von PRISMA+, entwickelten Axionen-Modells dar und sind so ein ideales Beispiel für das wertvolle Wechselspiel zwischen Theorie und Experiment am Standort Mainz.

Axionen sind hypothetische Elementarteilchen, die zunächst postuliert wurden, um eine theoretische Unzulänglichkeit der starken Wechselwirkung, das sogenannte starke CP Problem, zu lösen. Seit vielen Jahren werden Axionen oder axionartige Teilchen (axion-like particles oder ALPs) darüber hinaus als vielversprechende Kandidaten der dunklen Materie gehandelt. „Vor diesem Hintergrund haben Physikerinnen und Physiker zahlreiche Experimente entwickelt, um vor allem nach sehr leichten ALPs zu suchen“, erläutert Prof. Dr. Matthias Schott. „Wir haben erstmals ein detailliertes Forschungsprogramm am ATLAS-Experiment des LHC vorgeschlagen und umgesetzt, mit dem wir gezielt nach relativ schweren ALPs suchen – diese wiederum könnten das Rätsel um das anomale magnetische Moment des Myons erklären, so wie Matthias Neubert es in einem vor einigen Jahren entwickelten Modell aufgezeigt hat.“ Gemeinsam mit Martin Bauer und Andrea Thamm postulierte Neubert 2017, dass mit ATLAS ein sehr großer Bereich passender Axionenmassen mit sehr hoher Empfindlichkeit abgesucht werden könnte. Für Matthias Schott war dies der Ausgangspunkt zur erfolgreichen Beantragung des ERC Grant: „Ich habe nun mit meiner Gruppe im Rahmen dieses ERC Grant einen großen Teil des Parameter-Raums des Neubert`schen Modells getestet und wir sind sehr froh, dass wir nun erste Ergebnisse veröffentlichen können.“ Matthias Neubert wiederum hat den zu erwartenden Effekt von ALPs auf das Myonmoment inzwischen in einer aktuellen Veröffentlichung mit Anne Galda noch einmal präzisiert.

Eine innovative experimentelle Leistung
Der Messreihe liegt die Überlegung zugrunde, dass potentielle ALPs sowohl an das Myon als auch an Photonen koppeln müssen, um die Anomalie beim magnetischen Moment des Myons zu erklären. Konkret haben die Forschenden eine theoretisch postulierte Zerfallskette untersucht, bei der ein Higgs-Teilchen zunächst in zwei ALPs, und diese wiederum in jeweils zwei Photonen zerfallen (H→aa→4γ). Ziel war es, in diese Kette die Kopplung der ALPs an die Photonen nachzuweisen. „Wir haben dabei keine auffälligen Signale gefunden, die auf entsprechende ALPs hinweisen könnten“, erläutert Matthias Schott. „In dem untersuchten Bereich können wir so eine Axion-Photon Kopplung mit allergrößter Wahrscheinlichkeit ausschließen.“ Da die Forschungsgruppe aber erstmals einen sehr großen Parameterbereich absuchen konnte und vor allem hinsichtlich der Kopplungsstärke um sechs Größenordnungen empfindlicher war als bisherige Messungen, ist es ihnen gelungen, die bisher strengsten Ausschlussgrenzen für Masse und Kopplungsstärke von ALPs zu setzen.

Das Besondere an dieser Messung ist, dass hierbei ALPs potentiell über die Higgs-Physik nachgewiesen werden können. Sie wird im Hochenergiebereich der Teilchenphysik durchgeführt und kann somit die Diskrepanz im anomalen magnetischen Myonmoment über die Umwandlung von Hochenergieteilchen aufspüren. Das ist ein komplementärer Ansatz zur direkten Messung der Eigenschaften des Myons im Niederenergiebereich im Rahmen des Myon g-2 Experiments, und macht ihn gerade deshalb so spannend.“

Neue Analyse-Algorithmen beruhen auf künstlicher Intelligenz
Der Zerfallsprozess, den die Gruppe um Matthias Schott untersucht hat, ist vor allem deshalb experimentell sehr anspruchsvoll, weil die nachzuweisenden Photonen aus dem ALP-Zerfall nicht am Kollisionspunkt des Detektors entstehen. „Bei normalen Teilchen-Kollisionen treffen sich die Teilchen immer genau in der Mitte des Detektors. Und für alle neuen Teilchen, die in dieser Kollision entstehen, nehmen wir typischerweise an, dass ihre Reise direkt am Kollisionspunkt beginnt. Die normalen Algorithmen und Kalibrationen die wir haben, basieren genau auf dieser Hypothese“, erläutert Matthias Schott. „Wenn nun aber neue Teilchen entstehen, welche lange genug „leben“ dann fliegen diese Teilchen erst einmal ein Stück bevor sie zerfallen. Damit gilt unsere ursprüngliche Annahme nicht mehr und wir müssen völlig neue Ansätze entwickeln, um auch Teilchen im Detektor zu sehen, welche eben nicht vom Kollisionspunkt stammen.“ Konkret zerfällt das Higgs-Teilchen im Modell von Matthias Neubert zunächst in zwei ALPs und zwar sofort an der Stelle der Teilchen-Kollision. Die ALPs fliegen aber eine Weile, bevor sie in je zwei Photonen zerfallen, so dass diese Photonen abseits des Kollisionspunktes produziert werden. „Wir nennen dies Ereignisse mit einem „displaced Vertex“ – einem verschobenen Kollisionspunkt sozusagen. Eine solche Messung ist uns nun erstmals mit Photonen gelungen.“

Hinzu kommt eine weitere Herausforderung: Wenn die ALPs vergleichsweise leicht sind, sind die Photonen, in die sie zerfallen, sehr nahe zusammen. Der Detektor nimmt die beiden Photonen als ein einziges Photon war – es sei denn, es gibt einen neuen Algorithmus, der genau darauf trainiert ist: der also Photonen, die eigentlich als ein Photon rekonstruiert wurden, doch als zwei Photonen erkennen kann. „Einen solchen Algorithmus konnten wir unter Verwendung künstlicher Intelligenz in Form von neuronalen Netzwerken entwickeln und so Signale von hochgradig kollinearen Photonen erfolgreich auflösen.“

Doch es geht noch weiter: Selbst mit den speziell entwickelten Algorithmen, mit denen die Forscher einen sehr großen Suchbereich abdecken können, können sie nicht alle ALPs, die sie ins Visier nehmen wollen, „erwischen“. Um auch diese Lücke zu schließen, wollen sie das inzwischen in Betrieb gegangene FASER Experiment in einem Seitentunnel des LHC etwa 480 Meter hinter dem ATLAS-Experiment nutzen.

Das Myon als Testlabor für neue Physik
Erst kürzlich hat die Myon g-2 Kollaboration am Fermilab einen neuen Messwert für das anomale magnetische Moment verkündet, der doppelt so genau ist, wie der bisherige. Die PRISMA+-Arbeitsgruppe um Prof. Dr. Martin Fertl ist die einzige in Deutschland, die mit experimentellen Beiträgen beteiligt ist. Das Pendant ist die Myon g-2-Theorie-Initiative, ein weltweiter Zusammenschluss von mehr als 130 Physikerinnen und Physikern, der sich mit der theoretischen Vorhersage im Rahmen des Standardmodells befasst. Auch hier liefern die Mainzer Arbeitsgruppen von Prof. Dr. Achim Denig, Prof. Dr. Harvey Meyer, Prof. Dr. Marc Vanderhaeghen und Prof. Dr. Hartmut Wittig zahlreiche wichtige Beiträge – von der Messung experimenteller Input-Größen bis hin zur hochpräzisen Berechnung der Beiträge der starken Wechselwirkung mit den Methoden der Gitter-Quantenchromodynamik auf dem Mainzer Großrechner MOGON-II.

Aufgrund neuester Rechnungen ist nach wie vor nicht eindeutig geklärt, ob es eine echte Abweichung zwischen Theorie und Experiment gibt und wenn es sie gibt, mit welchen theoretischen Ansätzen sie zu erklären wäre. Es demonstriert aber einmal mehr die große Expertise des Mainzer Cluster PRISMA+ bei der Suche nach neuer Physik – und hier insbesondere beim Wechselspiel zwischen Theorie und Experiment sowie der Nutzung komplementärer Methoden zur Beantwortung der großen Fragen der modernen Physik. „Unsere heute veröffentlichte Arbeit ist hier ein wichtiger Beitrag, gleichwohl sie zeigt, dass der Raum für Modelle neuer Physik, die wir experimentell testen können, immer kleiner wird“, ordnet Matthias Schott das Ergebnis ein. „Bezogen auf ALPs sind diese nach wie vor vielversprechende Kandidaten für dunkle Materie, als Verursacher einer Diskrepanz beim magnetischen Moment des Myons können wir sie jedoch mit sehr großer Wahrscheinlichkeit ausschließen.“

Publikationen:
Galda, A.M., Neubert, M. ALP-LEFT Interference and the Muon (g − 2). J. High Energ. Phys. 2023, 15 (2023)
DOI: JHEP11(2023)015
https://link.springer.com/article/10.1007/JHEP11(2023)015

ATLAS Collaboration, Search for short- and long-lived axion-like particles in H→aa→4γ decays with the ATLAS experiment at the LHC, 6. Dezember 2023
arXiv:2312.03306 [hep-ex]
https://arxiv.org/abs/2312.03306

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• Large Hadron Collider

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Quelle: Johannes Gutenberg-Universität Mainz.

20. Januar 2022 – Ein internationales Forscherteam unter federführender Beteiligung des Exzellenzclusters PRISMA+ der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) und des Helmholtz-Instituts Mainz (HIM) hat erstmals umfassende Daten zur Suche nach Dunkler Materie mit einem weltweiten Netzwerk an optischen Magnetometern veröffentlicht. Durch korrelierte Messungen an zahlreichen Stationen des GNOME-Netzwerks sollten Dunkle-Materie-Felder ein charakteristisches Signalmuster erzeugen, so die Überlegung. Bei der Analyse von Daten aus einem einmonatigen Dauerbetrieb von GNOME gab es noch keinen entsprechenden Hinweis. Die Messung erlaubt aber Einschränkungen in Bezug auf die Eigenschaften der Dunklen Materie zu formulieren, wie die Forscher in der renommierten Fachzeitschrift Nature Physics berichten.

GNOME steht für global network of optical magnetometers for exotic physics searches. Dahinter verbergen sich über den Globus verteilte Magnetometer in Deutschland, Serbien, Polen, Israel, Südkorea, China, Australien und den USA. Mit GNOME wollen die Forscher insbesondere die Suche nach Dunkler Materie vorantreiben – eine der aufregendsten Herausforderungen der Grundlagenphysik im 21. Jahrhundert. Denn schon lange ist bekannt, dass viele rätselhafte astronomische Beobachtungen, wie die Rotationsgeschwindigkeit von Sternen in Galaxien oder das Spektrum der kosmischen Hintergrundstrahlung am besten durch Dunkle Materie erklärt werden können.

„Als einer der vielversprechendsten Kandidaten für Dunkle Materie gelten heute extrem leichte bosonische Teilchen. Zu ihnen zählen unter anderem sogenannte Axion-like Particles – kurz ALPs“, sagt Prof. Dr. Dmitry Budker, Professor bei PRISMA+ und am HIM, einer institutionellen Kooperation der Johannes Gutenberg-Universität Mainz und des GSI Helmholtzzentrums für Schwerionenforschung in Darmstadt. „Sie können auch als klassisches Feld, das mit einer bestimmten Frequenz oszilliert, betrachtet werden. Eine Eigenheit solcher bosonischen Felder ist, dass sie – so ein mögliches theoretisches Szenario – Muster und Strukturen bilden können. Im Ergebnis könnte die Dichte der Dunklen Materie in vielen verschiedenen Regionen konzentriert sein – es könnten sich zum Beispiel diskrete Domänenwände bilden, die kleiner als eine Galaxie, aber viel größer als die Erde sind.“

Dunkle Materie sollte charakteristische Signalmuster im Netzwerk auslösen
„Durchdringt eine solche Wand die Erde, wird diese nach und nach durch das GNOME-Netzwerk erkannt und kann in den Magnetometern vorübergehende charakteristische Signalmuster hervorrufen“, erläutert Dr. Arne Wickenbrock, einer der Mitautoren der Studie. „Noch dazu sind die Signale miteinander in bestimmter Weise korreliert – je nachdem wie schnell sich die Wand bewegt und wann sie den jeweiligen Standort erreicht.“

Mittlerweile besteht das Netzwerk aus 14 Magnetometern, die über acht Länder weltweit verteilt sind – neun von ihnen lieferten Daten für die aktuelle Analyse. Das Messprinzip beruht auf einer Wechselwirkung der Dunklen Materie mit den Kernspins der Atome in dem Magnetometer. Die Kernspins dieser Atome werden mit einem Laser mit einer bestimmten Frequenz angeregt und dabei alle in einer Richtung ausgerichtet. Ein potentielles Dunkle-Materie-Feld kann diese Richtung stören, was messbar ist.

Im übertragenen Sinn kann man sich vorstellen, dass die Atome in dem Magnetometer zunächst durcheinander tanzen, verdeutlicht Hector Masia Roig, Doktorand in der Budker-Gruppe und ebenfalls Autor der aktuellen Studie. „Wenn sie die richtige Frequenz an Laserlicht „hören“, drehen sie sich alle zusammen. Dunkle Materieteilchen können die tanzenden Atome aus dem Gleichgewicht bringen. Diese Störung können wir sehr genau messen.“ Und nun wird das Netzwerk an Magnetometern wichtig: Wenn die Erde sich durch eine räumlich begrenzte Wand aus Dunkler Materie bewegt, werden nach und nach die tanzenden Atome in allen Stationen gestört – eine dieser Stationen steht in einem Labor am Helmholtz-Institut in Mainz. „Erst wenn wir die Signale aller Stationen abgleichen, können wir beurteilen, was die Störung ausgelöst hat“, so Hector Masia Roig. „Übertragen auf das Bild der tanzenden Atome heißt das: Wenn wir die Messerergebnisse aller Stationen vergleichen, können wir entscheiden, ob es nur ein mutiger Tänzer war, der aus der Reihe tanzt, oder tatsächlich eine weltweite Störung durch dunkle Materie.“

In der aktuellen Studie analysiert das Forscherteam die Daten aus einem einmonatigen Dauerbetrieb von GNOME – statistisch signifikante Signale treten in dem untersuchten Massebereich von einem Femtoelektronenvolt (feV) bis 100.000 feV nicht auf. Im Umkehrschluss bedeutet dies, dass die Forscher den Bereich, in dem solche Signale der Theorie nach zu finden sein könnten, noch weiter als bisher einschränken können. Für Szenarien, die auf diskrete Dunkle-Materie-Wände setzen, ist das ein wichtiges Ergebnis – „auch wenn wir mit unserer weltweiten Ringfahndung eine solche Domänenwand bisher nicht nachweisen konnten“, so Joseph Smiga, ebenfalls Doktorand in Mainz und Autor der Studie.

Die zukünftige Arbeit der GNOME-Kollaboration wird sich darauf konzentrieren, sowohl die Magnetometer selbst als auch die Datenanalyse zu verbessern. So soll insbesondere ein Dauerbetrieb noch stabiler möglich sein. Das ist wichtig, um zuverlässig nach Signalen zu suchen, die länger als eine Stunde anhalten. Zudem sollen die bisherigen Alkali-Atome in den Magnetometern durch Edelgase ersetzt werden. Unter dem Titel Advanced GNOME erwarten die Forscher dadurch für künftige Messungen eine erheblich bessere Empfindlichkeit bei der Suche nach ALPs und Dunkler Materie.

Veröffentlichung:
Afach, S., Buchler, B.C., Budker, D. et al. Search for topological defect dark matter with a global network of optical magnetometers. Nat. Phys. 17, 1396–1401 (2021), 07. Dezember 2021
DOI: 10.1038/s41567-021-01393-y

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• Dunkle Materie

Der Beitrag Weltweite Ringfahndung nach Dunkler Materie erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: Johannes Gutenberg-Universität Mainz.

8. Dezember 2021 – Ein internationales Forscherteam unter Beteiligung des Exzellenzclusters PRISMA+ der Johannes Gutenberg‐Universität Mainz (JGU) und des Helmholtz‐Instituts Mainz (HIM) hat eine Labor‐Methode zur Suche nach extrem leichten Dunkle Materie Teilchen – sogenannte Axion‐like Particles (ALP) – erfolgreich weiterentwickelt. Prinzipiell nutzen die Forscherinnen und Forscher in ihren Experimenten Techniken der kernmagnetischen Resonanz: Durch einen neuen Aufbau konnten sie nun die Empfindlichkeit um fünf Größenordnungen gegenüber früheren Experimenten steigern, wie sie in der Zeitschrift Nature Physics zeigen.

Noch ist über die genaue Natur der Dunklen Materie wenig bekannt. Als vielversprechende Kandidaten gelten heute extrem leichte bosonische Teilchen, etwa sogenannte Axionen, Axion‐like Particles oder auch Dunkle Photonen. Diese können als klassisches Feld angesehen werden, das mit einer bestimmten Frequenz oszilliert. Wie groß diese Frequenz – und demzufolge die Masse der Teilchen – ist, ist bisher nicht bekannt. Deshalb durchsuchen die Forschenden mit ihren Experimenten systematisch unterschiedliche Frequenzbereiche nach Hinweisen auf Dunkle Materie. „Dabei gibt es noch viel zu tun, denn einen großen Massebereich, der für ALPs in Frage kommt, haben wir noch nicht überprüft“, sagt Prof. Dr. Dmitry Budker, Professor bei PRISMA+ und am HIM, das neben der Universität auch vom GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt getragen wird. „Dabei setzen wir weiter auf das Prinzip der Kernspinresonanz, also die Tatsache, dass Kernspins auf Magnetfelder reagieren, die mit einer bestimmten Resonanzfrequenz schwingen. Die Stärke dieses Resonanzsignals bestimmen wir mit einem empfindlichen Magnetometer.“

Die Grundannahme der Experimente: Auch ein Dunkle‐Materie‐Feld beeinflusst die Kernspins eines Sensors in dieser Weise. Während sich die Erde durch dieses Feld bewegt, verhalten sich die Kernspins im Sensor genau wie in einem oszillierenden magnetischen Feld. Das Ergebnis ist ein durch Dunkle Materie hervorgerufenes Kernspin‐Signal.

Kombination aus zwei Effekten: Vorverstärktes Signal und empfindlichere Messung
Als Sensor nutzen die Mainzer Wissenschaftler und ihre Kollegen der University of Science and Technology of China (USTC) das Edelgas Xenon, genauer gesagt das Isotop Xenon‐129. Das Magnetometer, welches potentielle Signale misst, basiert auf dem Element Rubidium. Dabei gibt es vor allem zwei Besonderheiten: „Wir bauen das Experiment so auf, dass die Xenon‐Atome ein oszillierendes Feld zunächst verstärken: So würde der Effekt, den ein potentielles ALP Feld auslöst, um einen Faktor 100 größer sein“, beschreibt Co‐Autor Antoine Garcon, Doktorand am HIM. „Zudem befindet sich unser Magnetometer – also die Ausleseeinheit – in der gleichen Zelle wie das Sensorgas Xenon. Der stärkere Kontakt zwischen beiden erhöht neben dem stärkeren Signal zusätzlich die Empfindlichkeit der Messung.“

„Dies ist mehr oder weniger das gleiche Prinzip, das unserem ‚Cosmic Axion Spin Precession Experiment‘‐Forschungsprogramm – kurz CASPEr – zugrunde liegt, einer Zusammenarbeit zwischen PRISMA+ und der Boston University in den USA. Die Details der technischen Umsetzung sind jedoch recht unterschiedlich“, ordnet Dmitry Budker ein.

In der aktuellen Arbeit zeigten die Kooperationspartner zunächst, dass ihre Idee grundsätzlich funktioniert: Sie legen ein schwaches oszillierendes Magnetfeld an, um ein ALP Feld zu simulieren und können damit die vorhergesagten Signale exakt nachweisen. In einem nächsten Schritt bestimmten sie die Empfindlichkeit ihres Versuchsaufbaus: Im Ergebnis ist diese um fünf Größenordnungen besser als bei früheren Experimenten.

Nach erfolgreichem Proof‐of‐Principle starteten die Wissenschaftler erste Messreihen, um nach Dunkler Materie zu suchen. Dabei konnten sie den Massebereich von wenigen Femtoelektronenvolt (feV) bis beinahe 800 feV absuchen. Zwar konnten sie in diesem Bereich bisher kein ALP Signal finden, aber durch die viel höhere Empfindlichkeit ist es gelungen neue und strenge Grenzen im Hinblick auf die Stärke der ALP Wechselwirkung mit normaler Materie zu formulieren. Zudem konnten sie den Suchbereich im Vergleich zu den CASPEr‐Experimenten um eine Größenordnung hin zu höheren Massen erweitern – und so nach dem Ausschlussverfahren den Suchbereich für ALPs noch weiter einschränken. Auch für die Suche nach Dunklen Photonen ‐ den postulierten Botenteilchen der Dunklen Materie – konnte der Aufbau genutzt werden. Und auch hier ist es dem Forscherteam gelungen, entsprechende Grenzen festzusetzen. Durch längere Messzeiten könnte die Empfindlichkeit ihrer Methode noch weiter verbessert werden, beschreiben die Autoren in Nature Physics.

Gleiches Prinzip – unterschiedliches Forschungsprojekt
Einen sehr ähnlichen Versuchsaufbau beschreibt eine weitere kürzlich in Science Advances erschienene Arbeit. Auch hier ist Dmitry Budker beteiligt: „Wir verwenden im Wesentlichen denselben Spin‐Verstärker, allerdings zu einem anderen Zweck. Statt nach dem Dunkle‐Materie‐Feld suchen wir nach einer möglichen exotischen Wechselwirkung zwischen einer Massenquelle und Kernspins – sozusagen einer ‚fünften Kraft‘. Die exotischen Wechselwirkungen würden durch die Existenz ‚neuer‘ Teilchen entstehen, die wiederum eine Verbindung zu Dunkler Materie haben könnten.“ Auf der Suche nach neuer Physik jenseits des Standardmodells bietet die neue Methode jedenfalls spannende neue Ansätze und Perspektiven.

Veröffentlichungen:
Jiang, M., Su, H., Garcon, A. et al. Search for axion‐like dark matter with spin‐based amplifiers, Nat. Phys. (2021), 18. November 2021
DOI: 10.1038/s41567‐021‐01392‐z
https://www.nature.com/articles/s41567‐021‐01392‐z
Su, H., Wang, Y., Jiang, M. et al. Search for exotic spin‐dependent interactions with a spin‐based amplifier, Science Advances (Vol.7, Issue 47), 17. November 2021
DOI: 10.1126/sciadv.abi9535
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abi9535

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• Dunkle Materie

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Die NANOGrav-Kollaboration hat kürzlich erste Hinweise auf sehr niederfrequente Gravitationswellen beobachtet. Prof. Dr. Pedro Schwaller und Wolfram Ratzinger haben die Daten analysiert und dabei insbesondere die Möglichkeit untersucht, ob sich dahinter eine neue Physik jenseits des Standardmodells verbergen könnte: In der Fachzeitschrift SciPost Physics zeigen sie, dass das Signal sowohl mit einem Phasenübergang im frühen Universum als auch mit einem Feld extrem leichter axion-artiger Teilchen (ALPs) vereinbar ist. Letztere gelten als vielversprechende Kandidaten für Dunkle Materie.

Gravitationswellen öffnen ein Fenster ins frühe Universum. Während der allgegenwärtige kosmische Mikrowellenhintergrund keine Aussagen über die ersten 300.000 Jahre unseres Universums erlaubt, ermöglichen sie einen Blick bis zurück zum Urknall. „Gerade dieses ganz frühe Universum ist für die Teilchenphysik aber so spannend“, erläutert Pedro Schwaller, Professor für Theoretische Physik am Exzellenzcluster PRISMA+ der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU). „Denn in dieser Zeit bildeten sich erst die Quarks und Gluonen als Elementarteilchen und aus ihnen die Bausteine der Atomkerne.“

Das Besondere an den Gravitationswellen, für die die NanoGrav Kollaboration nun erste Hinweise gefunden hat: Sie weisen mit 10-8 Hertz eine sehr niedrige Frequenz auf, die etwa einer Schwingung pro Jahr entspricht. Entsprechend groß ist ihre Wellenlänge – und entsprechend groß muss auch ein Detektor sein, um sie nachzuweisen. Da ein solcher Detektor auf der Erde nicht zu realisieren ist, nutzen die Astronomen bei NanoGrav weit entfernte Pulsare und deren Lichtsignale als riesige Detektoren.

„Obwohl die Daten bisher nur einen ersten Hinweis auf niederfrequente Gravitationswellen liefern, ist es für uns trotzdem sehr spannend, uns mit ihnen auseinanderzusetzen“, beschreibt Wolfram Ratzinger die Motivation hinter der Studie. „Denn solche Wellen könnten durch verschiedene Prozesse im frühen Universum entstanden sein. Bereits anhand der vorhandenen Daten können wir gegebenenfalls entscheiden, welche von ihnen überhaupt in Frage kommen könnten und welche von vorneherein nicht zu den Daten passen.“

Im Ergebnis haben die Mainzer Wissenschaftler vor allem zwei Szenarien genauer unter die Lupe genommen, die die beobachteten Gravitationswellen hervorgerufen haben könnten: Phasenübergänge im frühen Universum oder ein Dunkle-Materie-Feld aus extrem leichten axion-artigen Teilchen (ALPs). Solche Phasenübergänge könnten in der Ursuppe, in der es kurz nach dem Urknall sehr turbulent zuging, mit Absinken der Temperatur schlagartig erfolgt sein – ebenso wie die Dunkle Materie sind sie jedoch im Standardmodell nicht vorgesehen.

Aufgrund der Datenlage interpretieren Pedro Schwaller und Wolfram Ratzinger die Resultate ihrer Analyse einerseits entsprechend vorsichtig: „Es zeigt sich eine leichte Tendenz hin zu dem Szenario des frühen Phasenübergangs.“ Andererseits, so die beiden Physiker, zeige aber die Tatsache, dass sie selbst anhand begrenzter Daten schon gewisse Tendenzen herausarbeiten können, das Potential der Analyse auf. „Insofern ist unsere Studie ein erster, aber wichtiger Schritt – sie stimmt uns sehr zuversichtlich, dass wir mit präziseren Daten verlässliche Aussagen treffen können, welche Botschaft uns die Gravitationswellen aus dem frühen Universum überbringen.“

„Zudem“, so Pedro Schwaller abschließend. „können wir bestimmte Eigenschaften der Szenarien schon jetzt eingrenzen – wie die Stärke des Phasenübergangs und die Masse der Axionen.“

Veröffentlichung:
W. Ratzinger, P. Schwaller, Whispers from the dark side: Confronting light new physics with NANOGrav data
SciPost Phys. 10, 047 (2021) · published 23 February 2021
DOI: 10.21468/SciPostPhys.10.2.047
https://scipost.org/SciPostPhys.10.2.047

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Der Beitrag Geflüster von der dunklen Seite erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: Johannes Gutenberg-Universität Mainz.

Axionen sind hypothetische Elementarteilchen, welche Physiker zunächst postuliert haben, um eine theoretische Unzulänglichkeit der starken Wechselwirkung, das sogenannte starke CP Problem, zu lösen. In den vergangenen Jahren stellte sich jedoch heraus, dass Axionen oder axionartige Teilchen (ALPs) auch weitere Rätsel der modernen Physik lösen könnten: Sie werden als vielversprechende Kandidaten der dunklen Materie gehandelt und könnten zudem die Theorie-Experiment-Diskrepanz für den Wert des anomalen magnetischen Moments des Myons erklären, wie etwa Mainzer Physiker kürzlich zeigen konnten. Die Suche nach solchen ALPs ist daher hochaktuell. „In den letzten Jahren haben Physikerinnen und Physiker zahlreiche Experimente entwickelt, vor allem um nach sehr leichten ALPs als Kandidaten für die Dunkle Materie zu suchen“, erläutert Prof. Dr. Matthias Schott. „Wir schlagen nun erstmals ein detailliertes Forschungsprogramm am ATLAS-Experiment des LHC vor, mit dem wir gezielt nach relativ schweren ALPs suchen können, welche das Rätsel um das anomale magnetische Moment des Myons erklären können.“

Diese Suche kann jetzt beginnen: Der Europäische Forschungsrat (European Research Council – ERC) unterstützt das Projekt „Search for Axion-Like-Particles at the LHC – Light@LHC“ mit einem ERC Consolidator Grant für Matthias Schott in Höhe von mehr als 1,5 Millionen Euro. Das Projekt wird in den kommenden fünf Jahren am Exzellenzcluster PRISMA+ der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) realisiert.

Neue Analyse-Algorithmen beruhen auf künstlicher Intelligenz
Wenn der LHC, der weltgrößte Teilchenbeschleuniger, nach der großen Betriebspause 2021 wieder an den Start geht, wollen die Forscher um Matthias Schott bei Kollisionen von Protonen oder Blei-Atomen vor allem zwei Prozesse unter die Lupe nehmen: Im ersten wird angenommen, dass ein Higgs-Boson in zwei ALPs und diese wiederum in je zwei Photonen zerfallen, im zweiten wird postuliert, dass sich ALPs zunächst aus zwei Photonen bilden und anschließend wieder in zwei Photonen zerfallen.

Was einfach klingt, ist technisch hochkompliziert. „Wir brauchen dazu völlig neue Ansätze, um Photonen zu identifizieren und die Ergebnisse zu analysieren“, verdeutlicht Matthias Schott. „Um die benötigte Empfindlichkeit zum Nachweis der Photonen zu erreichen, müssen wir beispielsweise spezielle Rekonstruktions-Algorithmen entwickeln, welche auf modernen Ansätzen der künstlichen Intelligenz beruhen. Natürlich hoffen wir, dass sich diese Entwicklungen auch in vielen anderen Physikbereichen am ATLAS-Experiment auszahlen werden.“ Doch es geht noch weiter: Selbst mit den speziell weiter entwickelten Algorithmen, mit denen die Forscher einen sehr großen Suchbereich abdecken können, können sie nicht alle ALPs, die sie ins Visier genommen haben, „erwischen“. Um auch diese Lücke zu schließen, wird am CERN voraussichtlich ab 2021 ein neues Experiment in einem Seitentunnel des LHC die Arbeit aufnehmen: Etwa 480 Meter hinter dem ATLAS-Experiment soll der FASER-Detektor vor allem solche Teilchen registrieren, die so schwach mit anderen Teilchen wechselwirken, dass sie einfach weiter geradeaus fliegen und so für die bisherigen Detektoren unsichtbar sind. „Damit ist FASER sozusagen prädestiniert für die Suche nach ALPs – im Rahmen des ERC Grant ist geplant, eine speziell hierfür konzipierte Komponente des Detektors in Mainz aufzubauen und dann zum CERN zu transportieren.“

ERC Consolidator Grant für herausragende Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler
Der ERC Consolidator Grant ist eine der höchstdotierten Fördermaßnahmen der EU für einzelne Wissenschaftler. Der Europäische Forschungsrat fördert damit herausragende Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler 7 bis 12 Jahre nach der Promotion, wenn das eigene Forschungsprogramm ausgebaut wird. Zusätzlich zur wissenschaftlichen Exzellenz müssen die Antragsteller den bahnbrechenden Ansatz ihres Projekts und seine Machbarkeit nachweisen, um die Förderung zu erhalten.

Matthias Schott, 1979 in Nürnberg geboren, studierte Physik an der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg und der University of Cambridge, Großbritannien, und promovierte an der Ludwig-Maximilians-Universität München. 2008 erhielt er eines der renommierten Fellowships am Genfer Forschungszentrum CERN und aufgrund seiner ausgezeichneten Forschungsleistungen 2010 eine CERN Research-Staff Stelle. Im August 2012 kam Matthias Schott an die JGU, wo er eine von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderte Emmy Noether-Nachwuchsgruppe einrichtete; später erhielt er eine von der Volkswagenstiftung geförderte Lichtenberg-Professur, die auf die hochpräzise Messung der Masse des W-Bosons an großen Beschleunigern abzielt. Nach Forschungsaufenthalten am Massachusetts Institute of Technology und am University College London setzt Matthias Schott seine Forschung als W3 Professor für Experimentelle Teilchenphysik an der JGU fort.

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Quelle: Johannes Gutenberg-Universität Mainz.

Einen völlig neuen Ansatz bei der Suche nach Dunkler Materie haben Wissenschaftler der BASE-Kollaboration am europäischen Forschungszentrum CERN zusammen mit einer Arbeitsgruppe am Exzellenzcluster PRISMA+ der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) verfolgt: Erstmals haben sie den Einfluss von Dunkler Materie auf Antimaterie statt auf gewöhnliche Materie untersucht. Die Ergebnisse ihrer Arbeit sind in der jüngsten Ausgabe der renommierten Fachzeitschrift „Nature“ veröffentlicht. Beteiligt sind Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des japanischen Forschungszentrums RIKEN, des Max-Planck-Instituts für Kernphysik in Heidelberg (MPIK) und der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) Braunschweig, die wiederum im Max Planck-RIKEN-PTB Center for Time, Constants and Fundamental Symmetries zusammenarbeiten, sowie des CERN, der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU), des Helmholtz-Instituts Mainz (HIM), der Universität Tokyo, der GSI Darmstadt und der Leibniz Universität Hannover.

„Bisher haben Wissenschaftler in Präzisionsexperimenten bei niedrigen Energien stets materie-basierte Proben benutzt, um an ihnen eine Kopplung von Dunkler Materie nachzuweisen“, erläutert der Erstautor der aktuellen Studie, Dr. Christian Smorra, der zurzeit am japanischen Forschungsinstitut RIKEN tätig ist und in den nächsten Jahren im Rahmen eines ERC Starting Grants am Institut für Physik der JGU eine Arbeitsgruppe aufbauen wird. „Wir suchen zum ersten Mal explizit nach einer Wechselwirkung zwischen Dunkler Materie und Antimaterie. Die meisten Studien gehen von einer symmetrischen Wechselwirkung der Dunklen Materie mit Teilchen und Antiteilchen aus. Wir überprüfen in unserer Studie, ob das wirklich der Fall ist.“

Dieser Ansatz hat doppelten Charme: Über die mikroskopischen Eigenschaften der Dunklen Materie ist bisher nur sehr wenig bekannt – einer der viel diskutierten Kandidaten sind sogenannte ALPs (Axion Like Particles). Darüber hinaus liefert das Standardmodell der Teilchenphysik keine Erklärung, warum es im Universum so viel mehr Materie als Antimaterie gibt. „Wir hoffen, durch unsere Experimente einen Hinweis zu finden, der die beiden Fragestellungen verbinden könnte“, so Dr. Yevgeny Stadnik, der im Rahmen eines Humboldt Fellowships am HIM an der Studie mitgewirkt hat. „Denn sowohl theoretisch als auch experimentell ist eine asymmetrische Wechselwirkung dieser Art zuvor noch nicht untersucht worden. In unserer aktuellen Forschungsarbeit gehen wir einen ersten Schritt in diese Richtung.“

Gefangene Antiprotonen sollen Hinweise auf Dunkle Materie liefern
Das Untersuchungsobjekt der Wissenschaftler ist ein einzelnes Antiproton, gefangen in einer speziellen Teilchenfalle, einer sogenannten Penningfalle. Diese Teilchen erzeugten die Wissenschaftler am Antiproton Decelerator (AD) am CERN, der weltweit einzigen Forschungsanlage, in der Antiprotonen bei niedriger Energie zur Verfügung gestellt werden. Anschließend speicherten und untersuchten die Wissenschaftler die dort erzeugten Antiprotonen im Fallensystem der BASE Kollaboration.

Das Antiproton besitzt nicht nur eine Ladung, sondern auch einen Eigendrehimpuls – im Fachjargon Spin. In einem Magnetfeld präzediert dieser Spin mit einer ganz bestimmten, konstanten Frequenz – der Spinpräzessionsfrequenz. „Die Anwesenheit von Dunkler Materie könnten wir dadurch detektieren, dass sich diese Frequenz verändert“, so Christian Smorra. „Dabei betrachten wir die potentiellen Teilchen der Dunklen Materie als klassisches Feld mit einer bestimmten Wellenlänge. Die Dunkle Materie Wellen laufen kontinuierlich durch unser Experiment und verändern dort periodisch die eigentlich konstante Präzessionsfrequenz des Antiproton-Spins im Magnetfeld.“

Mit ihrem experimentellen Aufbau haben die Forscher einen bestimmten Frequenzbereich abgesucht – und bisher keine Hinweise auf Dunkle Materie gefunden. „Mit unserem aktuellen Messaufbau haben wir zwar keine signifikante und periodische Änderung der Spinpräzessionsfrequenz des Antiprotons gefunden“, erläutert Stefan Ulmer, Sprecher der BASE Kollaboration am CERN. „Gleichwohl haben wir die Empfindlichkeit im Vergleich zu astrophysikalischen Beobachtungen um bis zu fünf Größenordnungen übertroffen. Das bedeutet, wir haben basierend auf der jetzigen Empfindlichkeit unseres Experiments eine neue obere Grenze für die Stärke einer potentiellen Wechselwirkung zwischen Dunkler Materie und Antimaterie definiert.“

Zwei Forschungsgruppen zusammengeführt
Im Grunde genommen haben die Wissenschaftler in ihrem aktuellen Projekt zwei Forschungsgruppen zusammengeführt. Die BASE Kollaboration am CERN beschäftigt sich schon sehr lange und erfolgreich mit den fundamentalen Eigenschaften des Antiprotons, während die Gruppe um Prof. Dr. Dmitry Budker, Wissenschaftler am Exzellenzcluster PRISMA+ der JGU und am HIM, sehr aktiv bei der Suche nach Dunkler Materie ist und entscheidend zur Interpretation der Studie beigetragen hat. „Wir haben festgestellt, dass unsere Forschung sehr viele Schnittmengen aufweist und daraus die Idee für diesen neuen Ansatz bei der Suche nach Dunkler Materie geboren“, so Dmitry Budker.

Künftig wollen die Wissenschaftler die Genauigkeit bei der Messung der Spinpräzessionsfrequenz des Antiprotons weiter verbessern – dies wäre dann auch die Voraussetzung dafür, die Antimaterie-basierte Suche nach Dunkler Materie noch empfindlicher zu machen. Hierzu werden in der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Jochen Walz am Institut für Physik der JGU, in Zusammenarbeit mit MPIK und RIKEN, neue Kühlmethoden für Protonen und Antiprotonen entwickelt, während eine Gruppe von Wissenschaftlern an der PTB Braunschweig, der Leibniz Universität Hannover und RIKEN derzeit Methoden zur Quantenlogik-Spektroskopie des Antiproton-Spins entwickelt. Es wäre darüber hinaus interessant, ähnliche Studien mit anderen Antiteilchen durchzuführen, zum Beispiel mit Positronen oder Antimyonen.

Veröffentlichung
C. Smorra, Y. V. Stadnik, P. E. Blessing, M. Bohman, M. J. Borchert, J. A. Devlin, S. Erlewein, J. A. Harrington, T. Higuchi, A. Mooser, G. Schneider, M. Wiesinger, E. Wursten, K. Blaum, Y. Matsuda, C. Ospelkaus, W. Quint, J. Walz, Y. Yamazaki, D. Budker& S. Ulmer: Direct limits on the interaction of antiprotons with axion-like dark matter.

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