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: Forschungszentrum Jülich 13. Juli 2023.

13. Juli 2023 – Ihre Ergebnisse veröffentlichten sie heute in der renommierten Fachzeitschrift Physical Review X.

Etwa 80 Prozent der Materie im Universum besteht aus einem unbekannten und unsichtbaren Stoff. Postuliert wurde diese „dunkle Materie“ bereits vor etwa 90 Jahren. „Nur so ließ sich die Geschwindigkeitsverteilung der sichtbaren Materie innerhalb von Galaxien mit dem bisherigen Wissen in Einklang bringen“, erklärt Jörg Pretz, einer der Mitautoren der Studie, stellvertretender Direktor am Jülicher Institut für Kernphysik und Professor an der RWTH Aachen. „Eine ‚dunkle‘, bisher unbeobachtete Form von Materie muss die Galaxien zusätzlich stabilisieren.“

Seit den 1930er Jahren sind Physikerinnen und Physiker auf der Suche nach dieser Materie. An Theorien mangelt es der Wissenschaft nicht, doch bisher ist es noch niemandem gelungen, dunkle Materie tatsächlich nachzuweisen. „Denn ihre Natur ist noch völlig ungeklärt“, so Dr. Volker Hejny, ebenfalls vom Jülicher Institut für Kernphysik und wie sein Kollege Jörg Pretz Mitglied der internationalen JEDI-Kollaboration, die das Experiment durchgeführt hat. JEDI steht für Juelich Electric Dipole moment Investigations – die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Kollaboration arbeiten seit 2011 an der Messung elektrischer Dipolmomente geladener Teilchen. „Dunkle Materie ist nicht sichtbar, und verrät sich bisher nur indirekt durch ihre Schwerkraft. Deren Wirkung ist vergleichsweise winzig, so dass sie erst bei enorm großen Massen – wie eben ganzen Galaxien – wirklich in Erscheinung tritt.“

Theoretische Physikerinnen und Physiker haben bereits eine Reihe hypothetischer Elementarteilchen vorgeschlagen, aus denen die Dunkle Materie bestehen könnte. Je nach den Eigenschaften dieser Teilchen ergeben sich unterschiedliche Verfahren, durch die sie möglicherweise nachgewiesen werden können – Verfahren, die ohne den sehr schwierigen Nachweis der Gravitationswirkung auskommen. Zu den Kandidaten gehören auch Axionen und axion-artige Teilchen. „Ursprünglich sollten Axionen ein Problem in der Theorie der starken Wechselwirkung der Quantenchromodynamik lösen“, erläutert Jörg Pretz. „Der Name Axion geht auf den Physik-Nobelpreisträger Frank Wilczek zurück und bezieht sich auf eine Waschmittelmarke: Die Existenz der Teilchen sollte sozusagen die Theorie der Physik ‚reinwaschen‘.“

Um die Axionen nachzuweisen, nutzten die Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen der JEDI-Kollaboration die Spins von Teilchen. „Der Spin ist eine eigentümliche Eigenschaft der Quantenmechanik, durch die sich Teilchen wie kleine Stabmagnete verhalten“, erklärt Volker Hejny. „Dies wird beispielsweise in der medizinischen Bildgebung in der Kernspintomographie – auch Magnetresonanztomographie oder kurz MRT – ausgenutzt. Dabei werden die Spins von Atomkernen durch starke äußere Magnetfelder angeregt.“

Die MRT-Technik wird auch dazu verwendet, um nach Dunkler Materie zu suchen. Während sich in einem normalen MRT die Atome in Ruhe befinden, bewegen sich die Teilchen in einem Beschleuniger nahezu mit Lichtgeschwindigkeit. Das macht die Untersuchungen in einigen Bereichen viel empfindlicher und die Messungen genauer.

In ihrem Experiment nutzten die JEDI-Wissenschaftler eine besondere Eigenschaft des Jülicher Teilchenbeschleunigers COSY aus: die Verwendung von polarisierten Strahlen. „In einem gewöhnlichen Teilchenstrahl zeigen die Spins der Teilchen in beliebige Richtungen“, so Jörg Pretz. „Bei einem polarisierten Teilchenstrahl werden die Spins entlang einer Richtung ausgerichtet.“ Nur wenige Beschleuniger in der Welt verfügen über diese Möglichkeit.

Falls uns, wie die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler vermuten, ein Hintergrundfeld von Axionen umgibt, dann würde dieses die Bewegung der Spins beeinflussen – und könnte letztendlich so im Experiment nachgewiesen werden. Jedoch: Der erwartete Effekt ist winzig. Noch sind die Messungen nicht genau genug. Doch auch wenn bei dem JEDI-Experiment noch keine Hinweise für dunkle Materieteilchen gefunden werden konnten, haben es die Forschenden geschafft, den möglichen Wechselwirkungs-Effekt weiter einzugrenzen. Noch bedeutender: Sie konnten eine neue und vielversprechende Methode für die Suche nach dunkler Materie etablieren.

Originalpublikation:
First Search for Axionlike Particles in a Storage Ring Using a Polarized Deuteron Beam, S. Karanth et al. (JEDI Collaboration), Phys. Rev. X 13, 031004 – Published 12 July 2023, DOI: 10.1103/PhysRevX.13.031004, https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.13.031004, pdf: https://journals.aps.org/prx/pdf/10.1103/PhysRevX.13.031004.

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• Dunkle Materie

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Quelle: DESY 13. Juni 2023.

13. Juni 2023 – Die Dunkle Materie ist eines der größten wissenschaftlichen Rätsel des Universums: Aus astronomischen Beobachtungen weiß man, dass sie rund 26 Prozent des gesamten Energieinhalts des Universums ausmacht und damit etwa fünfmal so häufig vorkommt wie die uns bekannte „normale“ Materie. Bisher entzog sich dieser geheimnisvolle Stoff aber jedem direkten Nachweis, da er nur extrem schwach mit der uns umgebenden normalen Materie wechselwirkt.

Um mehr Licht in diesen dunklen Teil des Universums zu bringen, hat das CNRS zusammen mit DESY, dem GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung und dem Karlsruher Institut für Technologie das DMLab gegründet. Ziel ist es, die Zusammenarbeit zwischen den beiden Ländern zu stärken und das Potenzial für Entdeckungen zu fördern. „Wir wollen das teilweise komplementäre Fachwissen und die unterschiedlichen Infrastrukturen der deutschen und der französischen Seite zusammenbringen, um Themen von gemeinsamem Interesse nachhaltig voranzubringen und so auch international größere Sichtbarkeit zu erlangen“, sagt DESY-Forscher Thomas Schörner, deutscher Direktor des Dark Matter Labs. Die Hebelwirkung des IRL wird auch Finanzierungsanträge der IRL-Teams bei den nationalen französischen und deutschen Fördereinrichtungen unterstützen.

Zu den wissenschaftlichen Themengebieten des DMLab gehören unterschiedlichste Aspekte der Suche nach Dunkler Materie: direkte Suchen nach Teilchen der Dunklen Materie, die Entwicklung innovativer Detektor- und Beschleunigertechnologien sowie das theoretische Studium von Dunkler Materie. Aber auch die Astroteilchenphysik mit ihrem Multimessenger-Ansatz, der Gravitationswellen mit einbezieht, und das wissenschaftliche Computing mit Themen wie künstlicher Intelligenz und Datenmanagement zählen zu den Tätigkeiten.

Ein gemeinsames Projekt, in dem sich das DMLab engagieren wird, ist das Experiment MADMAX (Magnetized Disc and Mirror Axion Experiment). Die internationale MADMAX-Kollaboration hat sich 2017 bei DESY gegründet und will sich auf die Suche nach Axionen machen, hypothetischen, ultraleichten Teilchen, die Bausteine der Dunklen Materie sein könnten. Die Idee ist, dass sich diese Axionen an Grenzflächen verschiedener Materialien in einem sehr starken Magnetfeld bemerkbar machen könnten.

Das DMLab wird für zunächst fünf Jahre ins Leben gerufen. Organisatorisch ist es eine Einrichtung des französischen IN2P3 (Institut National de Physique Nucleaire et de Physique des Particules) im CNRS, das in Deutschland einen weiteren Standort erhält. Zehn der bereits bestehenden und in ganz Frankreich verteilten IN2P3-Standorte sind an DMLab beteiligt. Das Labor wird französischen Wissenschaftler:innen ermöglichen, längere Forschungsaufenthalte von mindestens einem Jahr in Deutschland zu verbringen. Mit Hilfe der auch von DESY, GSI und KIT zugesagten Förderung wird ein reger Austausch in beide Richtungen erwartet, der sich produktiv auf alle Projekte im DMLab auswirken wird.

„Vor 40 Jahren hat die bilaterale Zusammenarbeit zwischen IN2P3 und DESY mit dem gemeinsamen Experiment Cello am PETRA-Ring begonnen“, resümiert Dirk Zerwas, französischer Direktor des DMLab. „Das Dark Matter Lab ist eine einzigartige Möglichkeit, die Zusammenarbeit zwischen CNRS-IN2P3 und den Helmholtz-Forschungszentren weiter zu vertiefen.“

Über das DESY
Das Deutsche Elektronen-Synchrotron DESY zählt mit seinen Standorten in Hamburg und Zeuthen zu den weltweit führenden Zentren in der Forschung an und mit Teilchenbeschleunigern. Die Mission des Forschungszentrums ist die Entschlüsselung von Struktur und Funktion der Materie, als Basis zur Lösung der großen Fragen und drängenden Herausforderungen von Wissenschaft, Gesellschaft und Wirtschaft. Dafür entwickelt, baut und betreibt DESY modernste Beschleuniger- und Experimentieranlagen für die Forschung mit hochbrillantem Röntgenlicht und unterhält internationale Kooperationen in der Teilchen- und Astroteilchenphysik und in der Forschung mit Photonen. DESY ist Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft, der größten Wissenschaftsorganisation Deutschlands, und wird zu 90 Prozent vom Bundesministerium für Bildung und Forschung und zu 10 Prozent von den Ländern Hamburg und Brandenburg finanziert.

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• Helmholtz-Gemeinschaft Deutscher Forschungszentren

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Quelle: DESY 23. Mai 2023.

23. Mai 2023 – Mit dem „Licht-durch-die-Wand-Experiment“ ALPS II startet heute bei DESY das weltweit empfindlichste modellunabhängige Experiment für die Suche nach besonders leichten Teilchen, aus denen die Dunkle Materie aufgebaut sein könnte. Nach wissenschaftlichen Berechnungen sollte diese ominöse Form von Materie fünfmal so häufig im Universum vorkommen wie normale, sichtbare Materie. Bisher hat jedoch noch niemand Teilchen dieses Stoffs messen können – mit dem ALPS-Experiment könnte dieser Nachweis jetzt gelingen.

Das rund 250 Meter lange Experiment ALPS (Any Light Particle Search) ist dabei auf der Suche nach einer besonders leichten Sorte von neuartigen Elementarteilchen. Mit der Hilfe von vierundzwanzig recycelten supraleitenden Magneten aus dem HERA-Beschleuniger, intensivem Laserlicht, Präzisionsinterferometrie und hochempfindlichen Detektoren will das internationale Forschungsteam nach diesen sogenannten Axionen oder axionartigen Teilchen fahnden. Diese Teilchen sollen nur extrem schwach mit bekannter Materie reagieren, so dass sie an Beschleunigerexperimenten nicht gefunden werden können. Daher verwendet ALPS ein völlig anderes Messprinzip: In einem starken Magnetfeld könnten sich Lichtteilchen – Photonen – in diese geheimnisumwitterten Teilchen und wieder zurück in Licht umwandeln. „Die Idee für ein Experiment wie ALPS existiert schon seit über 30 Jahren. Durch die Nutzung von Komponenten und der Infrastruktur des ehemaligen HERA-Beschleunigers in Verbindung mit modernsten Technologien sind wir jetzt erstmals in der Lage, ALPS II in einer internationalen Kollaboration zu realisieren“, sagt Beate Heinemann, Direktorin für Teilchenphysik bei DESY. Helmut Dosch, Vorsitzender des DESY-Direktoriums, ergänzt: „DESY hat sich zur Aufgabe gemacht, die Materie in ihrer ganzen Vielfalt zu entschlüsseln. ALPS II passt damit perfekt in unsere Forschungsstrategie und stößt dabei vielleicht die Tür zur Dunklen Materie auf.“

In einem rund 120 Meter langen Vakuumrohr, das von zwölf in gerader Reihe aufgestellten HERA-Magneten umschlossen wird, spiegelt das ALPS-Team hochintensives Laserlicht in einem sogenannten optischen Resonator hin und her. Sollte sich in dem starken Magnetfeld ein Photon in ein Axion verwandeln, könnte dieses eine lichtdichte Wand durchqueren, die am Ende dieser Magnetreihe steht. Hinter dieser Wand steht eine fast gleich aufgebaute Magnetstrecke. In ihr könnte sich dieses Axion wieder in Licht zurückverwandeln, das durch den Detektor am Ende aufgefangen wird. Ein zweiter optischer Resonator, der hier aufgebaut ist, erhöht die Wahrscheinlichkeit, dass aus einem Axion wieder ein Lichtteilchen wird, um den Faktor 10.000. Sieht man jetzt also Licht hinter der Wand, so muss es zwischendurch ein Axion gewesen sein. „Die Wahrscheinlichkeit, dass sich ein Photon in ein Axion und wieder zurückverwandelt, ist allerdings trotz all unserer Techniktricks sehr klein – vergleichbar damit, dass man gleichzeitig mit 33 Würfeln einen Pasch wirft“, sagt DESY-Forscher Axel Lindner, Projektleiter und Sprecher der ALPS-Kollaboration.

Damit die Messung funktioniert, haben die Forschenden alle Komponenten des Experiments zur Höchstleistung getrieben. Der Lichtdetektor ist so empfindlich, dass er ein einzelnes Lichtteilchen pro Tag nachweisen kann. Auch die Präzision des Spiegelsystems für das Licht ist rekordverdächtig: der Spiegelabstand darf relativ zur Wellenlänge des Laserlichts höchstens um den Bruchteil eines Atomdurchmessers variieren. Und die jeweils neun Meter langen supraleitenden Magnete erzeugen in dem Vakuumrohr ein Magnetfeld von 5,3 Tesla, mehr als dem 100.000-fachen des Erdmagnetfelds. Die Magnete stammen aus dem 6,3 Kilometer langen Protonenring des HERA-Beschleunigers und erfuhren für das ALPS-Projekt ein Upcycling. Das Innere der ursprünglich gebogenen Magnete wurde extra für das Experiment geradegebogen, damit mehr Laserlicht in ihnen gespeichert werden kann, die Sicherheitseinrichtungen für den supraleitenden Betrieb bei minus 269 Grad Celsius wurden komplett überarbeitet. Vorgeschlagen wurde das Experiment ALPS von DESY-Theoretiker Andreas Ringwald. Er untermauerte mit seinen Berechnungen zur Erweiterung des Standardmodells auch die theoretische Motivation für das Experiment. Ringwald sagt: „Für ALPS haben Forschende aus der Experimentalphysik und der Theorie sehr eng zusammengearbeitet. Das Ergebnis ist ein Experiment mit einem einzigartigen Entdeckungspotenzial für Axionen, mit dem wir später vielleicht sogar nach hochfrequenten Gravitationswellen suchen können.“

Die Suche nach den Axionen beginnt zunächst in einem reduzierten Betriebsmodus, in dem die Suche nach „Untergrundlicht“, welches die Anwesenheit von Axionen vortäuschen könnte, vereinfacht wird. In der zweiten Jahreshälfte 2023 soll das Experiment die volle Sensitivität erreichen. Für 2024 ist dann eine Verbesserung des Spiegelsystems vorgesehen, außerdem kann später ein alternatives Lichtdetektorsystem installiert werden. Mit ersten Veröffentlichungen der Ergebnisse aus ALPS-Messungen rechnen die Forschenden für das Jahr 2024. „Selbst wenn wir mit ALPS keine leichten Teilchen finden sollten, werden wir mit dem Experiment die Ausschlussgrenzen für superleichte Teilchen um den Faktor 1000 verschieben“, ist Lindner überzeugt.

Insgesamt etwa 30 Forschende haben sich in der internationalen ALPS-Kollaboration zusammengefunden; sie kommen von sieben Forschungseinrichtungen: Neben DESY sind das Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut) und das Institut für Gravitationsphysik der Leibniz Universität in Hannover, die Cardiff University (Großbritannien), die University of Florida (Gainesville, Florida, USA), die Johannes-Gutenberg-Universität in Mainz, die Universität Hamburg und die University of Southern Denmark (Odense) beteiligt.

Auch für die Zeit nach der Axionensuche haben die Forschenden schon Pläne. Sie wollen mit ALPS beispielsweise herausfinden, ob ein Magnetfeld die Ausbreitung des Lichts in Vakuum beeinflusst, wie vor Jahrzehnten von Euler und Heisenberg vorhergesagt. Und auch zum Nachweis von hochfrequenten Gravitationswellen wollen die Forschenden den experimentellen Aufbau weiterverwenden.

Was sind Axionen?
Axionen sind hypothetische Teilchen. Sie gehören zu einem physikalischen Mechanismus, den der Theoretiker Roberto Peccei zusammen mit seiner Kollegin Helen Quinn 1977 vorgeschlagen hat, um ein Problem der starken Wechselwirkung – einer der vier Grundkräfte der Natur – zu lösen. 1978 haben die Theoretiker Frank Wilczek und Steven Weinberg ein neues Teilchen mit diesem Peccei-Quinn-Mechanismus in Verbindung gebracht. Da dieses Teilchen die Theorie „bereinigen“ würde, nannte Wilczek es nach einem Waschmittel „Axion“. Axionen oder Axion-ähnliche Teilchen werden von verschiedenen Erweiterungen des Standardmodells der Teilchenphysik vorhergesagt. Gäbe es sie, würden sie gleich eine ganze Reihe von heutzutage rätselhaften physikalischen Problemen lösen, unter anderem sind sie Kandidaten für die Bausteine der Dunklen Materie. Diese sollte nach aktuellen Berechnungen rund fünfmal so häufig im Universum vorkommen wie normale Materie.

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Quelle: Universität Bern 11. November 2022.

11. November 2022 – Die kosmologischen Beobachtungen der Bahnen von Sternen und Galaxien erlauben eindeutige Rückschlüsse darauf, welche anziehenden Gravitationskräfte zwischen den Himmelskörpern wirken. Die erstaunliche Erkenntnis lautet: Die sichtbare Materie reicht bei weitem nicht aus, um die Entwicklung und Bewegungen der Galaxien zu erklären. Dies legt die Vermutung nahe, dass es dort eine andere, bisher unbekannte Form von Masse gibt. Bereits 1933 schloss deshalb der Schweizer Physiker und Astronom Fritz Zwicky auf die Existenz von sogenannter dunkler Materie. Dunkle Materie ist eine postulierte Form von Materie, die nicht direkt sichtbar ist, aber über die Gravitation wechselwirkt und dabei etwa fünfmal mehr Masse umfasst als die uns bekannte Materie.

Nun ist es einem internationalen Forschungsteam dank eines am Albert Einstein Center for Fundamental Physics (AEC) der Universität Bern entwickelten Präzisionsexperiments gelungen, den Spielraum für die Existenz von dunkler Materie deutlich einzuschränken. Das AEC mit seinen über 100 Mitgliedern ist eine der international führenden Forschungseinrichtungen auf dem Gebiet der Teilchenphysik. Die Ergebnisse des Teams unter Berner Leitung wurden soeben in der renommierten Fachzeitschrift Physical Review Letters publiziert.

Mysterium dunkle Materie
«Woraus dunkle Materie besteht, ist noch völlig unklar», erläutert Ivo Schulthess, Doktorand am AEC und Erstautor der Studie. Sicher sei aber, dass sie nicht aus denselben Teilchen aufgebaut ist, aus denen die Sterne, unsere Erde oder wir selbst bestehen. Weltweit wird mit immer sensitiveren Experimenten und Methoden nach möglichen dunklen Materieteilchen gesucht – bis heute jedoch ohne Erfolg.

Eine vielversprechende Kategorie von Kandidaten für dunkle Materieteilchen bilden bestimmte hypothetische Elementarteilchen, die sogenannten Axionen. Ein wichtiger Vorteil dieser extrem leichten Teilchen ist, dass sie gleichzeitig weitere wichtige, bisher unverstandene Phänomene der Teilchenphysik erklären könnten.

Berner Experiment bringt Licht ins Dunkel
«Unserem Team ist es gelungen, dank langjähriger Expertise eine extrem empfindliche Messapparatur zu konzipieren und zu bauen – das Beam EDM Experiment», erklärt Florian Piegsa, Professor für Niederenergie- und Präzisionsphysik am AEC, der 2016 für seine Forschung an Neutronen einen der renommierten ERC Starting Grants des Europäischen Forschungsrats erhielt. Falls die schwer fassbaren Axionen tatsächlich existieren, so sollten sie eine charakteristische Signatur in der Berner Messapparatur hinterlassen.

«Mit unserem Experiment lässt sich die Drehfrequenz von Neutronen-Spins bestimmen, welche sich durch eine Überlagerung von elektrischen und magnetischen Feldern bewegen», erklärt Schulthess. Der Spin jedes einzelnen Neutrons fungiert dabei als eine Art Kompassnadel, welche sich aufgrund des Magnetfeldes wie der Sekundenzeiger einer Armbanduhr dreht – allerdings fast 400.000-mal schneller. «Diese Drehfrequenz haben wir permanent genau gemessen und nach kleinsten periodischen Fluktuationen untersucht, welche durch die Wechselwirkung mit den Axionen hervorgerufen werden würden», erklärt Piegsa. Die Ergebnisse des Experiments waren eindeutig: «Die Drehfrequenz der Neutronen blieb unverändert, was bedeutet, dass es in unserer Messung keinen Hinweis auf Axionen gibt», so Piegsa.

Parameterbereich erfolgreich eingegrenzt
Durch diese Messungen, welche zusammen mit Forschenden aus Frankreich an der Europäischen Forschungsneutronenquelle des Instituts Laue-Langevin durchgeführt wurden, konnte ein bisher komplett unerforschter Parameterbereich der Axionen experimentell ausgeschlossen werden. Dabei konnte nach hypothetischen Axionen gesucht werden, welche mehr als 1000-mal schwerer wären, als dies bislang mit anderen Experimenten möglich war (siehe dazu auch die Medienmitteilung vom November 2017).

«Obwohl die Existenz dieser Teilchen auch weiterhin mysteriös bleibt, konnten wir erfolgreich einen wichtigen Parameterraum der dunklen Materie eingrenzen», bilanziert Schulthess. Zukünftige Experimente können nun auf dieser Arbeit aufbauen. «Die endgültige Beantwortung der Frage nach der dunklen Materie würde uns einen bedeutsamen Einblick in die Grundlagen der Natur ermöglichen und uns einen großen Schritt näher an ein vollständiges Verständnis des Universums bringen», so Piegsa.

Das Experiment wurde durch den European Research Council und den Schweizerischen Nationalfonds gefördert.

Albert Einstein Center for Fundamental Physics (AEC)
Das Albert Einstein Center for Fundamental Physics (AEC) wurde 2011 gegründet. Sein Ziel ist es, Forschung und Lehre in der Grundlagenphysik an der Universität Bern auf höchster Ebene zu fördern. Der Schwerpunkt liegt auf der experimentellen und theoretischen Teilchenphysik und ihren Anwendungen (z.B. Medizinphysik), sowie auf den damit verbundenen Spin-off- und Outreach-Aktivitäten.

Das AEC wurde unter Mitwirkung des Instituts für Theoretische Physik (ITP) und des Labors für Hochenergiephysik (LHEP) der Universität Bern gegründet. Mit seinen über 100 Mitgliedern ist das AEC eine der größten universitären Gruppen von Forschenden, die in der Schweiz auf dem Gebiet der Teilchenphysik arbeiten, und ein starker Akteur auf internationaler Ebene.

Publikation:
Schulthess I. et al., New limit on axion-like dark matter using cold neutrons, Physical Review Letters, 4. November 2022
DOI: 10.1103/PhysRevLett.129.191801
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.191801

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• physikalische Grundlagenforschung
• Dunkle Materie

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Quelle: JGU 1. August 2022.

1. August 2022 – Materie, die nicht sichtbar ist, aber dennoch über die Gravitation wechselwirkt? Bei solcher sprechen Physiker von „Dunkler Materie“. Auf der Erde ist sie nicht zu finden, vielmehr wurde sie von Experten postuliert – denn nur mit ihr lassen sich zahlreiche astronomische Beobachtungen erklären, zum Beispiel die Geschwindigkeit, mit der sichtbare Sterne das Zentrum ihrer Galaxie umkreisen. Dabei übersteigt die Masse der Dunklen Materie in den meisten Galaxien die der normalen Materie bei Weitem. Doch gehören sowohl die Natur als auch die Zusammensetzung von Dunkler Materie – und von der ähnlich mysteriösen Dunklen Energie – nach wie vor zu den drängendsten Geheimnissen der modernen Physik. Der August 2022 steht daher gleich dreifach unter dem Zeichen der Dunklen Materie: Drei „Dark Matter“-Veranstaltungen der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) für Studierende sowie etablierte Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler reihen sich aneinander.

Summer School „Ultralight Dark Matter“
Mit der Summer School „Ultralight Dark Matter – Scientific Foundations and Experimental Searches“ werden Studierende angesprochen. Sie findet vom 31. Juli bis zum 5. August im Physikzentrum in Bad Honnef statt. „In der Sommerschule sollen Neueinsteiger in dem Gebiet, insbesondere Doktoranden und Postdocs, sich mit dem Thema der leichten Dunklen Materie auseinandersetzen können – nicht nur über formelle Vorlesungen, sondern auch bei informellen Gesprächen mit führenden Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern“, sagt Dr. Arne Wickenbrock von der JGU, der alle drei Veranstaltungen koordiniert. Das Interesse ist groß: Die Summer School ist mit 87 Teilnehmern ausgebucht, es wurde bereits eine Warteliste gebildet.

„17th Patras Workshop on Axions, WIMPs and WISPs„
Nach der Summer School können die Studierenden in Bad Honnef in einen gecharterten Bus steigen: Er bringt sie zu einer Konferenz, die vom 8. bis zum 12. August an der JGU stattfindet. „Auf dieser Konferenz wird ein Großteil der internationalen Dark-Matter-Community zusammenkommen. Hier treffen die Studierenden auf die Experten – es wird ein großes Wissenschaftsfest“, sagt Wickenbrock. Nachdem die Konferenz in den vergangenen zwei Jahren aufgrund der Pandemie online stattfinden musste, trifft man sich nun das erste Mal wieder vor Ort. 180 registrierte Teilnehmende werden in Mainz zusammenkommen, um über die jüngsten theoretischen Fortschritte und die neuesten experimentellen Resultate zu sprechen sowie neue Ideen zu diskutieren. „Die Teilnahme von jungen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern ist ausdrücklich erwünscht“, sagt Wickenbrock.

„Wavy Dark Matter Detection with Quantum Networks Workshop„
Die dritte Veranstaltung, der „Wavy Dark Matter Detection with Quantum Networks Workshop“, richtet sich an die Experten. Dieser Workshop findet ebenfalls in Mainz statt, und zwar vom 15. bis 19. August am Mainz Institute for Theoretical Physics. Die knapp 40 Teilnehmenden diskutieren über die neusten Trends der Dunkle-Materie-Detektion mit Netzwerken von Quantensensoren.

Weiterführende Links:
https://wavydarkmatter.org/ – Wavy Dark Matter Summer 2022

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• Terminvorschau auf Veranstaltungen

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Quelle: Max-Planck-Institut für Astronomie.

2. Februar 2022 – Astronom*innen haben eine neuartige Messung durchgeführt, mit der sie die Temperatur der „kosmischen Hintergrundstrahlung“, die unseren Kosmos erfüllt, in einer Frühphase unseres Universums bestimmten konnten. Diese Strahlung ist ein Überbleibsel der heißen Urknallphase unseres Kosmos, und sie hat sich die letzten 13,8 Milliarden Jahre immer weiter abgekühlt. Mit der neuen Methode gelang die Messung der Temperatur jener Strahlung zu einem sehr frühen Zeitpunkt in der Evolution unseres Universums, nämlich bloße 880 Millionen Jahre nach dem Urknall. Das erlaubt es, die herkömmlichen kosmologischen Modelle auf die Probe zu stellen.

Ein abkühlendes Universum
Vor rund 13,8 Milliarden Jahren, in der sogenannten Urknallphase, war unser Kosmos angefüllt mit einem heißen, dichten Plasma aus Strahlung und Elementarteilchen. Doch schon damals expandierte das Universum, und seine Dichte nahm mit der Zeit rasch ab. Nach den Gesetzen der Thermodynamik zieht das eine Abnahme der Temperatur nach sich: Das Plasma expandierte, verlor so an Dichte und kühlte sich ab. Mit dem Plasma kühlte auch die Wärmestrahlung ab – die Gesamtheit der Lichtteilchen (Photonen), die durch das Plasma liefen und mit den elektrisch geladenen Teilchen wechselwirkten, verlor immer mehr an Energie.

Nach einigen Hunderttausend Jahren war das Plasma soweit abgekühlt, dass stabile Atome entstehen konnten. Vorher war die Temperatur so hoch gewesen, dass beispielsweise ein Proton und ein Elektron, die sich zu einem Wasserstoffatom vereinigt hätten, fast augenblicklich durch ein energiereiches Photon wieder auseinandergerissen worden wären.

Blick in die (heiße und dichte) Vergangenheit
Mit dem Abkühlen von Plasma und Wärmestrahlung gab es mit der Zeit immer weniger energiereiche Photonen. Entsprechend konnten sich immer mehr Atome bilden, ohne gleich wieder von energiereichen Photonen ionisiert zu werden. Bis zur 380.000-Jahres-Marke hatten sich so gut wie alle Atomkerne (hauptsächlich Wasserstoff, aber auch Helium-4) mit Elektronen zu elektrisch neutralen Atomen verbunden. Ab dann gab es nur noch sehr wenig Wechselwirkung zwischen diesen Atomen und der verbleibenden Wärmestrahlung. Die Wärmestrahlung, die als kosmische Hintergrundstrahlung bezeichnet wird, breitet sich seither praktisch unverändert im Weltraum aus.

An dieser Stelle wird wichtig, dass Astronom*innen immer in die Vergangenheit schauen. Das Licht astronomischer Objekte braucht immer eine gewisse Zeit, um uns zu erreichen. Wir sehen z. B. die Sonne nie so, wie sie jetzt ist. Unsere Beobachtungen zeigen die Sonne stattdessen immer so, wie sie vor 8 Minuten war, nämlich zu jenem Zeitpunkt, als das Licht, das jetzt unsere Teleskope erreicht, die Oberfläche der Sonne verließ. In ähnlicher Weise sehen wir die Andromeda-Galaxie immer so, wie sie vor rund 2,5 Millionen Jahren war, da das Licht 2,5 Millionen Jahre braucht, um von dieser Galaxie aus zu unseren Teleskopen hier auf der Erde zu gelangen.

Unser Fenster zur heißen Urknallphase
Daraus folgt nun aber, dass wir die kosmische Hintergrundstrahlung auch heute noch beobachten können! Schließlich ist der Weltraum vergleichsweise leer. Wenn wir es vermeiden, in die Staubwolken unserer eigenen Milchstraßengalaxie und in die Sterne ferner Galaxien zu blicken, können wir tiefer und tiefer in den Weltraum schauen ­– insbesondere so weit, bis wir Regionen sehen, deren Licht 13,8 Milliarden Jahre gebraucht hat, um uns zu erreichen. Jene Regionen sehen wir dann so, wie sie vor 13,8 Milliarden Jahren waren. Und zu jenem Zeitpunkt befand sich das Universum nun einmal in der heißen, dichten Urknallphase.

Durch das Plasma der Urknallphase können wir nicht hindurchsehen, da ein solches Plasma undurchsichtig ist. Die früheste Phase, die wir tatsächlich sehen können, ist jene, in welcher die kosmische Hintergrundstrahlung freigesetzt wurde. Anders formuliert: Es gibt Regionen im Universum, die gerade so weit von uns entfernt sind, dass ihre kosmische Hintergrundstrahlung uns genau jetzt, in diesem Moment, erreicht. Wir können heute das Licht vom Ende der heißen Urknallphase sehen und vermessen. Beobachtungen dieser Art liefern wertvolle Informationen über das frühe, heiße Universum.

Es gibt freilich einen wichtigen zusätzlichen Effekt. Das Universum expandiert, und die kosmische Expansion hat zur Folge, dass die Wärmestrahlung aus dem frühen Universum immer weiter abkühlt. Alle Eigenschaften einer solchen Wärmestrahlung hängen von einem einzigen Parameter ab: der Temperatur der Strahlung. In unseren kosmologischen Modellen ist die Auswirkung der kosmischen Expansion auf diese Temperatur sehr direkt: In der Zeit, in der sich die Abstände zwischen entfernten Galaxien aufgrund der kosmischen Expansion um den Faktor 2 vergrößert haben, sinkt auch die Temperatur der kosmischen Hintergrundstrahlung auf die Hälfte des ursprünglichen Werts.

Expandierendes Universum, abkühlende Strahlung
Vom Moment der Freisetzung der kosmischen Hintergrundstrahlung bis heute hat sich das Universum um einen Faktor von rund 1100 ausgedehnt. Die kosmische Hintergrundstrahlung, die ursprünglich eine Temperatur von etwa 3000 Kelvin hatte und deren Wärmestrahlung damit damals so ähnlich aussah wie das Licht einer Halogenlampe, kühlte um denselben Faktor ab. Heutzutage erreicht sie die Erde hauptsächlich in Form von niederenergetischer Mikrowellenstrahlung. Im Englischen wird die kosmische Hintergrundstrahlung deswegen auch als „Cosmic Microwave Background“ bezeichnet, zu deutsch „kosmischer Mikrowellenhintergrund“, abgekürzt CMB.

Der direkte Zusammenhang zwischen der Ausdehnung unseres Universums und der Temperatur der Hintergrundstrahlung bedeutet nun aber: Die Art und Weise, wie sich diese Temperatur ändert, sollte alle Informationen darüber enthalten, wie das Universum in jener Zeit expandiert ist. Könnten wir die Hintergrundstrahlungs-Temperatur zu verschiedenen Zeiten der kosmischen Geschichte messen, dann könnten wir die Expansionsgeschichte unseres Kosmos im Detail rekonstruieren. Diese Expansionsgeschichte wiederum enthält wichtige Informationen über eine der großen Unbekannten der modernen Kosmologie: der so genannten Dunklen Energie, also demjenigen Inhaltsstoff unseres Universums, der dafür verantwortlich ist, dass die Expansionsrate unseres Kosmos gegenwärtig zunimmt, die kosmische Expansion sich beschleunigt.

Der kosmischen Expansion auf der Spur, Datenpunkt für Datenpunkt
Eine direkte Messung könnte zeigen, ob dieser direkte Zusammenhang zwischen der Ausdehnung unseres Universums und der Abkühlung der kosmischen Hintergrundstrahlung tatsächlich besteht. Vergleicht man die Ergebnisse mit anderen Beobachtungsgrößen für die Expansion, insbesondere mit der sogenannten kosmologischen Rotverschiebung, ließen sich anhand der Ergebnisse dieses Vergleichs einige exotische Vorschläge für die Natur der Dunklen Energie falsifizieren. Dominik Riechers von der Universität Köln, Erstautor des jetzt veröffentlichten Artikels, sagt: „Wenn es irgendwelche Abweichungen von den erwarteten Trends gibt, könnte das Rückschlüsse auf die Natur der schwer fassbaren Dunklen Energie erlauben.“

Eine Abweichung von dem direkten Zusammenhang zwischen Temperatur und Expansion wäre insbesondere in Modellen zu erwarten, in denen die Dunkle Energie „zerfällt“ und einen Teil ihres Energiegehalts auf die normale Materie und Strahlung im Universum überträgt. Das würde die Abkühlung der kosmischen Hintergrundstrahlung verlangsamen. Einige Modelle für die andere große Unbekannte in der Kosmologie, die Dunkle Materie, sagen ähnliche Effekte voraus: Bestimmte exotische (und noch nicht nachgewiesene) Elementarteilchen, die als Bestandteile der Dunklen Materie vorgeschlagen werden, so genannte leichte Axionen, könnten mit der kosmischen Hintergrundstrahlung wechselwirken und deren Abkühlung im Laufe der Zeit beeinflussen.

Die Messung der CMB-Temperatur zu verschiedenen Zeiten der kosmischen Geschichte ist allerdings nicht einfach. Einige Datenpunkte gab es schon vor der hier beschriebenen Arbeit: Für die kosmische Geschichte der letzten 6 Milliarden Jahre (Rotverschiebungswerte z zwischen 0 und 1) bietet der sogenannte Sunyaev-Zel’dovich-Effekt eine Möglichkeit für derartige Messungen. Etwas weiter entfernt, zwischen 10 und 11,7 Milliarden Jahren vor der Jetztzeit (z zwischen 1,8 und 3,3), gibt es ebenfalls vereinzelte Datenpunkte, die darauf hinweisen, dass die CMB-Temperatur damals genau den richtigen Wert hatte, um bestimmte Energieniveaus in bestimmten Atom- oder Molekülarten anzuregen.

Ein Temperatur-Datenpunkt 880 Millionen Jahre nach dem Urknall
Die jetzt veröffentlichten Ergebnisse gehen noch deutlich weiter in die Vergangenheit. Sie steuern einen CMB-Temperaturdatenpunkt aus einer Zeit fast 13 Milliarden Jahre vor der Gegenwart bei – nur eine knappe Milliarde Jahre nach der Urknallphase. Möglich wurde dies durch eine Wolke aus kaltem Wasserdampf in einer Starburst-Galaxie mit der Katalognummer HFLS3, die wir so sehen, wie sie 880 Millionen Jahre nach dem Urknall war. Wie die kosmische Hintergrundstrahlung selbst ist auch das Licht dieser Galaxie stark rotverschoben. Alle Beobachtungen für diese Arbeit wurden daher mit dem IRAM-NOEMA-Teleskop-Array in den französischen Alpen durchgeführt, einem Radioobservatorium, das bei Millimeter-Wellenlängen beobachtet.

Starburst-Galaxien heißen so, weil sie den Beobachtungen nach innerhalb astronomisch sehr kurzer Zeit eine Vielzahl neuer Sterne bilden beziehungsweise gebildet haben. Die hier beobachtete Starburst-Galaxie enthält außerdem eine große Wolke aus Wasserdampf (H₂O). Die kosmische Hintergrundstrahlung wirkt in so einem Falle wie eine Lichtquelle, die sich aus Sicht des Beobachters hinter der Wolke befindet. Astronomen kennen ähnliche Situationen bei der Beobachtung von Sternen: Über den heißeren tieferen Regionen der sogenannten Photosphäre, die so gut wie alles Licht erzeugen, das wir von einem Stern empfangen, befinden sich Schichten mit etwas kühlerem Gas. Das Ergebnis sind so genannte Absorptionslinien: bestimmte Wellenlängen, bei denen das Sternenlicht von den kühleren Schichten absorbiert wird. Beobachten Astronomen das regenbogenartige Spektrum eines Sterns, dann erscheinen diese Absorptionslinien tatsächlich wie dunklere, linienförmige Schatten auf dem Regenbogen.

Ein verräterischer Schatten auf der kosmischen Hintergrundstrahlung
Vereinfacht ausgedrückt passiert genau so etwas auch bei den jetzt veröffentlichten Beobachtungen. Die Wasserdampfwolke ist kühler als die kosmische Hintergrundstrahlung. Deswegen schattet sie die kosmische Hintergrundstrahlung ab, ein Effekt, der noch nie zuvor beobachtet werden konnte. Das Ergebnis ist eine Absorptionslinie in der regenbogenartigen Spektralzerlegung der kosmischen Hintergrundstrahlung, wobei die Stärke der Absorption den Temperaturunterschied zur Wolke anzeigt – woraus sich wiederum auf die Temperatur der kosmischen Hintergrundstrahlung zu jenem Zeitpunkt schließen lässt, als die Strahlung 880 Millionen Jahre nach dem Urknall durch jene Wolke lief.

Die Details der Situation sind komplizierter. Was wir hier verkürzt die Temperatur der Wolke genannt haben, ist nicht die Temperatur der Wolke als Ganzes, sondern eine Temperatur, die dem Anteil der Wassermoleküle entspricht, die sich in einem leicht angeregten (Rotations-)Zustand relativ zum energieärmsten Grundzustand befinden. Es gibt eine physikalische Formel, die den Anteil der Wassermoleküle im angeregten Zustand mit einer Temperatur verknüpft; umgekehrt kann man durch Messung der Anzahl der angeregten Wassermoleküle diese spezifische Temperatur bestimmen.

Dass diese spezifische Temperatur niedriger ist als die der kosmischen Hintergrundstrahlung kommt außerdem nur dank des infraroten Lichts zustande, das von den vielen neugeborenen Sternen der Starburst-Galaxie ausgestrahlt und durch die Staubwolken der Galaxie gestreut wird. Dieses Infrarotlicht verschiebt effektiv das Gleichgewicht, wie viele Moleküle sich in einem bestimmten Zustand befinden – und für das von den Astronomen für diese Studie untersuchte Zustandspaar ist dies gleichbedeutend mit einer niedrigeren Temperatur, was wiederum zum Auftreten der gemessenen Hintergrundsstrahlung-Absorptionslinie führt.

Die kosmische Evolution nachverfolgen
In der vereinfachten Version gilt aber ebenso wie in der realistischer-komplizierten: Das Endergebnis hängt von der Temperatur der kosmischen Hintergrundstrahlung ab. Aus ihren Beobachtungen leiten die Astronomen ab, dass die Hintergrundstrahlung zu dieser Zeit eine Temperatur zwischen 16,4 und 30,2 Kelvin gehabt haben muss. Dies stimmt mit der Temperatur von 20 Kelvin überein, die von den aktuellen kosmologischen Modellen für den betreffenden Zeitpunkt 880 Millionen Jahre nach dem Urknall vorhergesagt wird – angesichts des direkten Zusammenhangs zwischen der Abkühlung der kosmischen Hintergrundstrahlung und der kosmischen Expansionsgeschichte ein wichtiges Indiz, dass unsere heutigen kosmologischen Modelle in sich konsistent sind.

Diejenigen exotischeren Modelle, die eine deutliche Abweichung der Temperaturentwicklung von der kosmischen Expansion vorhersagen, lassen sich damit ausschließen. Allgemeiner liefern die Beobachtungen einen Datenpunkt zur kosmischen Expansion aus einer Phase der kosmischen Geschichte, aus der es insgesamt nur sehr wenige Datenpunkte gibt. Fabian Walter, Astronom am Max-Planck-Institut für Astronomie und Ko-Autor des jetzt veröffentlichten Artikels, sagt: „Diese neue Technik liefert wichtige neue Erkenntnisse über die Entwicklung des Universums und zeigt uns, dass das Universum in seinen Anfängen einige ungewöhnliche Eigenschaften hatte, die sich von den heutigen unterscheiden.“ Der hier nachgewiesene Effekt kann eben nur im sehr frühen Universum auftreten, bevor sich die kosmische Hintergrundstrahlung allzu weit abgekühlt hat.

HFLS3 als Prototyp für weitere frühe Temperaturmessungen
Jetzt, da ihre Daten aus dem frühen Universum vollständig analysiert sind, planen die Forscher für die Zukunft. Es sind weitere Starburst-Galaxien wie HFLS3 im frühen Universum bekannt, und mehrere davon enthalten Wolken aus Wasserdampf. Die Forscher*innen suchen deswegen mit NOEMA systematisch nach weiteren Beispielen für den Schatteneffekt. Werden sie fündig, dann können sie die Abkühlung der kosmischen Hintergrundstrahlung, das Echo des Urknalls, über die ersten 1,5 Milliarden Jahren der kosmischen Geschichte hinweg noch genauer kartieren.

Hintergrundinformationen
Die hier beschriebene Forschung wurde veröffentlicht als D. Riechers et al., „Microwave Background Temperature at Redshift 6.34 from H2O Absorption“ in der Zeitschrift Nature.

Der beteiligte MPIA-Wissenschaftler ist Fabian Walter, in Zusammenarbeit mit Dominik Riechers (Universität Köln), Axel Weiss (Max-Planck-Institut für Radioastronomie), Christopher L. Carilli (NRAO), Pierre Cox (Sorbonne Université und CNRS), Roberto Decarli (INAF Bologna) und Roberto Neri (IRAM).

NOEMA ist das leistungsstärkste Millimeter-Teleskop auf der Nordhalbkugel. Das Observatorium befindet sich in einer Höhe von über 2500 Metern über dem Meeresspiegel auf dem Plateau de Bure in den französischen Alpen. Das Teleskop wird vom Institut de Radioastronomie Millimétrique (IRAM) betrieben und von der Max-Planck-Gesellschaft, dem französischen Centre National de Recherche Scientifique und dem spanischen Instituto Geografico Nacional finanziert.

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• Hintergrundstrahlung

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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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Quelle: Max-Planck-Institut für Kernphysik Heidelberg.

Das Baryon-Antibaryon-Symmetrie-Experiment (BASE) am Antiprotonen-Entschleuniger des CERN hat neue Grenzen für die Masse von Axion-ähnlichen Teilchen – hypothetischen Teilchen, die Kandidaten für dunkle Materie sind – festgelegt und eingeschränkt, wie leicht sie sich in Photonen, die Teilchen des Lichts, verwandeln können. Dies ist besonders bemerkenswert, da BASE nicht für solche Untersuchungen konzipiert wurde. Das neue Ergebnis des Experiments, veröffentlicht in Physical Review Letters, beschreibt diese bahnbrechende Methode und eröffnet neue experimentelle Möglichkeiten für die Suche nach kalter dunkler Materie.

„BASE verfügt über extrem empfindliche Detektionssysteme mit abgestimmten supraleitenden Schwingkreisen, um die Eigenschaften einzelner gefangener Antiprotonen zu untersuchen. Wir haben erkannt, dass diese Detektoren auch für die Suche nach Signalen von anderen Teilchen geeignet sind. In dieser kürzlich veröffentlichten Arbeit haben wir einen unserer Detektoren als Antenne benutzt, um nach einer neuen Art von Axion-ähnlichen Teilchen zu suchen“, erläutert Jack Devlin, ein CERN-Forschungsstipendiat, der am BASE-Experiment arbeitet.

Axionen oder Axion-ähnliche Teilchen sind Kandidaten für kalte dunkle Materie. Aufgrund astrophysikalischer Beobachtungen geht man davon aus, dass etwa 26,8 Prozent des Materie-Energie-Gehalts des Universums aus dunkler Materie und nur etwa 5 Prozent aus normaler − sichtbarer − Materie bestehen; der Rest ist die mysteriöse dunkle Energie. Diese unbekannten Teilchen spüren die Schwerkraft, reagieren aber kaum auf die anderen fundamentalen Kräfte, wenn sie diese überhaupt erfahren. Die etablierte Theorie der fundamentalen Kräfte und Teilchen, das Standardmodell der Elementarteilchenphysik, enthält keine Teilchen mit den passenden Eigenschaften für kalte dunkle Materie. Da das Standardmodell jedoch viele Fragen unbeantwortet lässt, haben Physiker darüber hinaus gehende Theorien vorgeschlagen, von denen einige die Natur der dunklen Materie erklären. Manche dieser Theorien schlagen die Existenz von Axionen oder Axion-ähnlichen Teilchen vor. Diese Theorien müssen getestet werden, und auf der ganzen Welt gibt es viele Experimente, die nach diesen Teilchen suchen. Das BASE-Experiment am CERN hat nun zum ersten Mal die Detektoren, die zum Nachweis einzelner Antiprotonen entwickelt wurden, für die Suche nach dunkler Materie eingesetzt.

Im Vergleich zu den großen Detektoren am LHC ist BASE ein wesentlich kleineres Experiment. Der Antiprotonen-Entschleuniger des CERN versorgt es mit Antiprotonen. BASE fängt diese Teilchen ein und speichert sie in einer Penningfalle, einer Kombination aus elektrischen und starken magnetischen Feldern. Um Kollisionen mit gewöhnlicher Materie zu vermeiden, wird die Falle bei etwa 5 Kelvin (~−268 °C) betrieben, wo äußerst niedrige Drücke, ähnlich denen im Weltraum, erreicht werden (10−18 mbar). In dieser extrem gut isolierten Umgebung können Wolken von gefangenen Antiprotonen über Jahre hinweg existieren. Durch sorgfältiges Einstellen der elektrischen Felder können die Physiker bei BASE einzelne Antiprotonen isolieren und in einen separaten Teil der Falle bringen. In diesem Bereich können sehr empfindliche resonante supraleitende Detektoren die winzigen elektrischen Ströme nachweisen, die von einzelnen Antiprotonen erzeugt werden, während sie sich in der Falle bewegen.

In der nun veröffentlichten Arbeit suchte das BASE-Team nach unerwarteten elektrischen Signalen in ihren empfindlichen Antiprotonendetektoren. Das Herzstück jedes Detektors ist eine kleine, etwa 4 cm durchmessende, Torus-förmige Spule, die ähnlich aussieht wie die Transformatorspulen, die man in vielen gewöhnlichen elektronischen Geräten findet. Die BASE-Detektoren sind jedoch supraleitend − haben also fast keinen elektrischen Widerstand, und alle umgebenden Komponenten sind sorgfältig so gewählt, dass sie keine elektrischen Verluste verursachen. Das macht die BASE-Detektoren extrem empfindlich gegenüber elektromagnetischen Hochfrequenzfeldern. In der vorliegenden Arbeit nutzten die Physiker erstmals das in der Penningfalle gespeicherte Antiproton als Quantensensor, um das Hintergrundrauschen ihres Detektors genau zu kalibrieren. Dann begannen sie, nach ungewöhnlichen aber schwachen Signalen zu suchen, die möglicherweise von Axion-ähnlichen Teilchen und ihren möglichen Wechselwirkungen mit Photonen verursacht werden. Im untersuchten Frequenzbereich konnten sie bisher kein derartiges Signal nachweisen, was im Umkehrschluss bedeutet, dass es BASE gelungen ist, neue Grenzen für die Masse Axion-artiger Teilchen zu setzen und ihre möglichen Wechselwirkungen mit Photonen zu untersuchen.

Mit dieser Studie eröffnet BASE anderen Penningfallen-Experimenten die Möglichkeit, sich an der Suche nach dunkler Materie zu beteiligen. Verschiedene Änderungen können die Detektionsempfindlichkeit weiter verbessern, um in Zukunft empfindlichere Schranken an die Konversion der hypothetischen Axion-ähnlichen Teilchen in Photonen zu setzen. „Mit dieser neuen Technik haben wir zwei bisher nicht miteinander verbundene Zweige der Experimentalphysik kombiniert: die Axion-Physik und die Hochpräzisions-Penningfallen-Physik. Unser Laborexperiment ist komplementär zu astrophysikalischen Experimenten und besonders empfindlich im niedrigen Axion-Massenbereich. Mit einem eigens dafür gebauten Messinstrument könnten wir die Bandbreite und Empfindlichkeit erhöhen, um die Landschaft der Axion-Suche mit Penningfallen-Techniken zu erweitern“, hofft Stefan Ulmer, Sprecher der BASE-Kollaboration.

Die BASE-Kollaboration besteht aus Wissenschaftlern des RIKEN Fundamental Symmetries Laboratory, des European Center for Nuclear Research (CERN), dem Max-Planck-Institut für Kernphysik (MPIK) in Heidelberg, der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU), dem Helmholtz-Institut Mainz (HIM), der University of Tokyo, des GSI Helmholtzzentrums für Schwerionenforschung in Darmstadt, der Leibniz Universität Hannover und der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig. Diese Forschung ist Teil des Arbeitsprogramms des Max Planck-RIKEN-PTB Center for Time, Constants and Fundamental Symmetries, einer internationalen Gruppe, die hochpräzise Messmethoden für ein besseres Verständnis der Physik unseres Universums entwickelt.

Originalpublikation:
Constraints on the coupling between axion-like dark matter and photons using an antiproton superconducting tuned detection circuit in a cryogenic Penning trap, J. A. Devlin, M. J. Borchert, S. Erlewein, M. Fleck, J. A. Harrington, B. Latacz, J. Warncke, E. Wursten, M. A. Bohman, A. H. Mooser, C. Smorra, M. Wiesinger, C. Will, K. Blaum, Y. Matsuda, C. Ospelkaus, W. Quint, J. Walz, Y. Yamazaki, S. Ulmer, Phys. Rev. Lett. 126, 041301, DOI: 10.1103/PhysRevLett.126.041301

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• Dunkle Materie

Der Beitrag BASE: Hilfe bei der Suche nach kalter dunkler Materie erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: Johannes Gutenberg-Universität Mainz.

Es ist eine hoch angesehene Auszeichnung, die Dmitry Budker bei einer der nächsten Sitzungen der American Physical Society im Frühjahr 2021 entgegennehmen kann. Als Professor für Experimentelle Atomphysik am Exzellenzcluster PRISMA+ der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) und Sektionsleiter am Helmholtz-Institut Mainz (HIM) erforscht er mit seiner Arbeitsgruppe grundlegende Symmetrien und Wechselwirkungen.

Ein Schwerpunkt ist die Suche nach Dunkler Materie, wobei der Fokus auf extrem leichten Teilchen wie Axionen oder axionähnlichen Teilchen als potentielle Bestandteile dieser allgegenwärtigen aber exotischen Materieform liegt. Mit seiner Gruppe entwickelt Dmitry Budker aktuell mehrere Experimente, um nach diesen Teilchen zu suchen. Alle Versuche setzen darauf, dass ständig ein Strom von Dunkler Materie fließt, der auf sehr subtile Weise die Eigenschaften der gewöhnlichen Materie beeinflusst. Nachweisen ließen sich solche Einflüsse beispielsweise mithilfe der Atomspektroskopie von Cäsium-Dampf oder spezieller Techniken der kernmagnetischen Resonanz (NMR) insbesondere in ultraniedrigen Feldern, so die Überlegungen. Zudem ist Budker mit seiner Arbeitsgruppe am Projekt GNOME federführend beteiligt, welches Signale von Dunkler Materie mithilfe eines weltweiten Netzwerks von Magnetometern aufspüren will.

Zahlreiche Kollegen gratulieren
Über die Auszeichnung mit dem Norman F. Ramsey Preis sagt Dmitry Budker: „Das ist eine große Anerkennung unserer Forschungsarbeiten und ich bin sehr stolz hierauf. Vor allem die Glückwünsche zahlreicher Kolleginnen und Kollegen haben mich sehr gefreut.“ Der einhellige Tenor der Gratulanten: „Das ist eine ausgezeichnete Nachricht und wohlverdient. Herzlichen Glückwunsch zu dieser enormen Leistung!“

Der Norman F. Ramsey Preis soll herausragende Leistungen in den beiden Bereichen würdigen, in denen der Namensgeber, Nobelpreisträger Norman F. Ramsey, sich hervorgetan hat – in der Atom-, Molekül- und optischen Spektroskopie sowie bei Präzisionstests fundamentaler Gesetze und Symmetrien. Der Preis ist mit 10.000 $ dotiert und wird seit 2017 jährlich vergeben – Dmitry Budker ist der vierte Preisträger. Ausgezeichnet wird er für „bahnbrechende Arbeiten zur Untersuchung komplexer Atome, zur Prüfung grundlegender Symmetrien der Natur, zur Messung elektromagnetischer Felder, zur Suche nach exotischen Wechselwirkungen, zur Erforschung der Natur der Dunklen Materie und zur Messung der kernmagnetischen Resonanz in ultraniedrigen Feldern“.

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• Dunkle Materie

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Quelle: WWU.

Daten von XENON1T, dem weltweit empfindlichsten Dunkle-Materie-Detektor, enthalten einen überraschenden Signalüberschuss. Das haben die Mitglieder der XENON-Kollaboration unter Beteiligung der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster (WWU) heute bekannt gegeben. Sie behaupten aber nicht, Dunkle Materie gefunden zu haben, sondern betonen, dass die Quelle dieses unerwarteten Signals noch nicht vollständig verstanden sei. Es könnte von einer winzigen Menge Tritium (überschwerer Wasserstoff) stammen, aber auch ein Hinweis auf etwas Spannenderes sein: die Existenz neuer Teilchen, den theoretisch vorhergesagten solaren Axionen, oder eine bisher unbekannte Eigenschaft von Neutrinos.

XENON1T war von 2016 bis Ende 2018 im Gran-Sasso-Untergrundlabor des Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) in Italien in Betrieb. Es diente primär der Suche nach Teilchen der Dunklen Materie, die 85 Prozent der Materie im Universum ausmacht, für die es aber bisher nur indirekte Hinweise gibt. XENON1T hat zwar keine Dunkle Materie entdeckt, aber weltweit die beste Sensitivität für die Suche nach WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles) erreicht, die zu den theoretisch bevorzugten Kandidaten für Dunkle Materie gehören. Die sehr hohe Sensitivität von XENON1T erlaubt es darüber hinaus, nach verschiedenen neuen Teilchen und bisher unbeobachteten Prozessen zu suchen. So konnte die XENON-Kollaboration im vergangenen Jahr die Beobachtung der seltensten jemals direkt gemessenen Kernumwandlung in der Fachzeitschrift „Nature“ publizieren.

Der zur Suche nach seltenen Ereignissen optimierte XENON1T-Detektor enthielt 3,2 Tonnen hochreines, bei minus 95 Grad Celsius verflüssigtes Xenon, von denen die innersten zwei Tonnen als Nachweismedium dienten. Fliegt ein Teilchen durch die Flüssigkeit, kann es mit den Xenon-Atomen zusammenstoßen, dabei schwache Lichtsignale auslösen und Elektronen aus dem getroffenen Xenon-Atom schlagen. Da die meisten Wechselwirkungen auf bekannte Teilchen zurückgehen, diente eine Vielzahl von aufwendigen Methoden dazu, solche störenden Hintergrundereignisse auf ein bislang unerreicht niedriges Niveau zu senken. Die verbleibende Anzahl von Hintergrundereignissen haben die Wissenschaftler sehr sorgfältig bestimmt. Beim Abgleich der XENON1T-Daten mit dem Hintergrund fanden die Forscherinnen einen überraschenden Überschuss von 53 Ereignissen über die erwarteten 232 Ereignisse.

Was ist der Ursprung dieses Signals?
Eine Möglichkeit könnte ein bisher unerkannter Hintergrund sein, und zwar die Anwesenheit extrem kleiner Mengen von Tritium im flüssigen Xenon. Tritium, ein radioaktives Wasserstoffisotop mit zwei extra Neutronen, zerfällt spontan unter Aussendung eines Antineutrinos sowie eines Elektrons mit einer Energieverteilung ähnlich der beobachteten. Wenige Tritiumatome auf 10²⁵ Xenon-Atome (das entspricht etwa 2 Kilogramm Xenon) würden genügen, um das Signal zu erklären. Allerdings gibt es derzeit keine unabhängigen Messungen, die die Anwesenheit derart winziger Mengen Tritium im Detektor bestätigen oder ausschließen könnten. Ob diese Erklärung für das beobachtete Signal zutrifft, muss deshalb offenbleiben.

Eine weitaus spannendere Erklärung wäre die Existenz eines neuen Teilchens. Das gemessene Energiespektrum gleicht demjenigen, das für in der Sonne erzeugte Axionen erwartet wird. Axionen sind hypothetische Teilchen, die vorgeschlagen wurden, um eine in der Natur beobachtete Symmetrie der Kernkräfte zu verstehen. Die Sonne könnte eine starke Quelle von Axionen sein. Diese solaren Axionen sind zwar keine Dunkle-Materie-Kandidaten, aber ihr Nachweis wäre die erste Beobachtung einer sehr gut motivierten, aber noch nicht gefundenen Klasse von Teilchen. Dies hätte große Bedeutung für unser Verständnis von fundamentaler Physik, aber auch von astrophysikalischen Phänomenen. Im frühen Universum erzeugte Axionen könnten zudem eine Quelle für Dunkle Materie sein.

Alternativ könnten auch überraschende Eigenschaften von Neutrinos hinter dem unerwarteten Signal stecken. In jeder Sekunde durchqueren Billionen von Neutrinos ungehindert den Detektor. Als eine Erklärung käme in Frage, dass das magnetische Moment der Neutrinos größer ist als vom Standardmodell der Elementarteilchenphysik vorhergesagt, was ein klarer Hinweis auf „neue Physik“ wäre.

Von allen drei Erklärungen zeigen Signale solarer Axionen die beste Übereinstimmung mit den gemessenen Daten. Allerdings ist die statistische Signifikanz von 3,5 Sigma (das heißt mit einer Wahrscheinlichkeit von zwei Zehntausendsteln handelt es sich bei dem Signal um eine zufällige Fluktuation, die somit nicht völlig ausgeschlossen ist) zwar recht hoch, aber nicht hoch genug für eine Entdeckung. Die beiden anderen Erklärungen sind mit 3,2 Sigma ähnlich gut mit den Daten vereinbar.

Nach dem Umbau von XENON1T zu XENONnT mit der dreifachen aktiven Detektormasse und geringerem Hintergrund werden bald noch bessere Daten zur Verfügung stehen. Die Mitglieder der XENON-Kollaboration sind zuversichtlich herauszufinden, ob dieses überraschende Signal nur eine statistische Fluktuation, eine weitere Hintergrundkomponente oder etwas bei weitem Spannenderes ist: ein neues Teilchen oder eine Wechselwirkung jenseits der bekannten Physik.

Beteiligte Institutionen und Förderung:
In der XENON-Kollaboration arbeiten 163 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus 28 Institutionen in elf Ländern zusammen. Aus Deutschland sind fünf Institutionen maßgeblich beteiligt. Das Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg war für die Lichtsensoren, den Nachweis geringster Spuren Radioaktivität im Detektormaterial und im flüssigen Xenon verantwortlich, die Universität Münster entwickelte das Tieftemperatur-Destillationssystem zur Entfernung von radioaktiven Verunreinigungen aus dem flüssigen Xenon sowie ein allgemeines Xenon-Reinigungssystem, die Universität Mainz war für das Myon-Vetosystem verantwortlich und hat zum Xenon-Rückführungs- und Speichersystem wesentlich beigetragen, und die Universität Freiburg war für den Bau des Detektors und die Datenerfassungselektronik verantwortlich. Alle Institute, zu dem seit Kurzem auch das Karlsruher Institut für Technologie zählen, sind an der Datenanalyse beteiligt. Die Forschung der deutschen Gruppen bei XENON wird im Wesentlichen von der Max-Planck-Gesellschaft und der Verbundforschung des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) finanziert.

Originalpublikation:
Observation of Excess Electronic Recoil Events in XENON1T, XENON Collaboration, arXiv: 2006.09721
Originalveröffentlichung (Preprint) auf „arXiv“

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• Dunkle Materie

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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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• Large Hadron Collider

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Ein Beitrag von Karl Urban. Quelle: Zioutas et al..

Flares gehören zum Alltagsgeschäft unserer Sonne. Fünf bis zehn mal pro Tag erhebt sich eine Fackel einige tausend Kilometer über die Sonnenoberfläche und gibt dabei UV- und Röntgenstrahlung sowie Ionen und Elektronen in das Sonnensystem ab. Sie entstehen in der Chromosphäre, einer Schicht, die fast ausschließlich aus Wasserstoff und Helium besteht und hauptsächlich durch das Magnetfeld der Sonne beeinflusst wird. Das starke Magnetfeld der Sonne resultiert in Magnetfeldlinien, die durch ihre Eigenrotation ständig um die Sonne „herumgewickelt“ werden. Dabei kommt es regelmäßig zu einem „Reißen“ und „Wiederverbinden“ der Feldlinien. Eine Feldlinie, welche kurzzeitig die Chromosphäre verlässt, kann so etliche Teilchen mit sich reißen, was wir als Sonnenfackel oder Flare beobachten.
Bisher war man davon ausgegangen, dass die Verzwirbelungen des Magnetfelds die einzige Ursache für solare Flares sind. Jedoch konnten bisher nicht alle beobachteten Ausbrüche auch mit dieser Ursache in der Verbindung gebracht werden.

Wie ein Forscherteam um Konstantin Zoutas von der Universität von Patras in Griechenland nun berichtet, dürfte zumindest ein Teil der beobachteten Flares durch einen völlig anderen Prozess verursacht werden. So könnten hypothetische Teilchen im Innern der Sonne zu den Auslösern gehören, die Axionen. Diese – auch wenn sie bisher nicht nachgewiesen sondern nur theoretisch postuliert werden konnten – stehen im Verdacht, einen Teil der wenig verstandenen Dunklen Materie auszumachen.

Die Quantenchromodynamik (QCD) untersucht das Verhalten von Quarks, den fundamentalen Bausteinen, aus der alle Materie aufgebaut ist. Die Theorie versucht, die physikalischen Eigenschaften von Elementarteilchen wie Elektron, Proton und Neutron aufgrund derer Bausteine zu beschreiben. Sie geht davon aus, dass die Atomkern-Grundbausteine aus jeweils drei Quarks aufgebaut sind. Die experimentelle Untersuchung von Quarks ist technisch sehr aufwendig. Impulse erwarten sich Forscher durch den neuen Beschleuniger LHC am CERN in Genf.

Überwiegend kann sich die QCD jedoch nur auf theoretische Modelle stützen, welche erst in der Zukunft mit technisch hochaufwendigen Experimenten oder durch neue Beobachtungsmethoden experimentell bestätigen lassen. So erfordert die Untersuchung kleinster Strukturen die Schaffung extremer Bedingungen, um die Materiebausteine aus ihrer Verpackung zu reißen. Diese herrschen nur in Teilchenbeschleunigern und in astronomischen Objekten wie Sternen.

Wie bei experimentell nur eingeschränkt überprüfbaren Modellen in der Physik üblich, müssen mögliche Widersprüche zunächst hingenommen und verarztet werden. So gibt es ein größeres Problem mit dem elektrisch neutralen Neutron, das alle schwereren Atome nach dem Wasserstoff mit aufbaut. Dessen theoretisch mit der QCD vorhergesagten Eigenschaften stimmen nicht völlig mit den experimentell gemessenen überein. Um einen Bruch der für die Theorie essentiellen Symmetrien zu vermeiden, führte der amerikanische Physiker Frank Wilczek das Axion als hypothetisches Teilchen ein.

Bisher waren Physiker davon ausgegangen, dass sich Axionen, die im Sonnenkern entstehen, radial in ihre Außenzonen bewegen, um hier die sie umgebende Materie zu ionisieren. Die dabei von ihren Atomkernen befreiten Elektronen werden dann gestreut, was die bei Flares entstehende Röntgenstrahlung erklären würde, die keiner Vorzugsrichtung zu folgen scheint. Das Team um Zioutas schlägt nun vor, eine genauere Untersuchung solarer Flares könnte Aufschlüsse über die Masse der Axionen liefern. Denn deren Masse ist abhängig von der Dichte des Plasmas, in der sie Röntgenstrahlung erzeugen können. Schließlich könnten Kosmologen die Axionenmasse dazu nutzen, zu berechnen, wie viele von ihnen im jungen Universum erzeugt wurden und welchen Anteil sie heute zur Dunklen Materie beitragen.

Hier gelangen Sie zur Diskussion zu diesem Thema in der Raumcon.

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