Ultraleichte Axionen scheiden als Kandidaten für die Dunkle Materie wahrscheinlich aus

Internationale Forschergruppe wertet Messungen am Paul Scherrer Institut aus / Neue Einschränkungen zur Axion-Gluon-Bindungskraft ermittelt

22.11.2017

Astrophysikalische und kosmologische Beobachtungen deuten darauf hin, dass das Universum vorwiegend aus nicht sichtbaren Anteilen besteht, der sogenannten Dunklen Materie und der Dunklen Energie. Nur fünf Prozent entfallen auf die für uns sichtbare Form von Materie, wie sie uns hier auf der Erde oder im Weltall beispielsweise als Sterne begegnet. Eine internationale Forschergruppe mit Wissenschaftlern aus sieben Ländern, darunter auch Prof. Dr. Dieter Ries von der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU), hat nun zur Suche nach der rätselhaften Dunklen Materie neue Erkenntnisse beigesteuert. Eine Auswertung von Daten, die am Paul Scherrer Institut (PSI) in der Schweiz und am Institut Laue-Langevin in Frankreich gewonnen wurden, zeigt, dass Dunkle Materie mit großer Wahrscheinlichkeit nicht aus ultraleichten Axionen besteht. Axionen sind hypothetische Teilchen, deren Existenz bislang noch nicht nachgewiesen wurde.

Dunkle Materie macht ungefähr 23 Prozent des Universums aus. Ihre Existenz wurde erst in den 1930er-Jahren aufgrund astronomischer Beobachtungen postuliert. Bis heute konnten jedoch keine Teilchen gefunden werden, aus denen Dunkle Materie besteht. Die Forschergruppe am Paul Scherrer Institut hat in den vergangenen zehn Jahren Messungen an Neutronen vorgenommen, um deren elektrisches Dipolmoment zu bestimmen. Diese Daten wurden nun auch im Hinblick auf die Existenz von Axionen untersucht. "Falls es Axionen in der vermuteten Gewichtsklasse gibt, dann hätten wir sie in unseren Daten mit hoher Wahrscheinlichkeit gefunden", sagt Prof. Dr. Dieter Ries vom Institut für Kernchemie der JGU. Gesucht wurde nach der Wechselwirkung von Axionen mit den Neutronen beziehungsweise mit den Gluonen, die die Neutronen im Inneren zusammenhalten. "Statt nach einem festen Wert haben wir nach Veränderungen des elektrischen Dipolmoments mit einer Frequenz im Nano- bis Millihertzbereich gesucht, aber ohne Erfolg", so Ries.

Neue Experimente zur Untersuchung der Neutron-Eigenschaften geplant

Aber auch wenn in diesen Daten des PSI sowie in älteren Daten eines Vorgängerexperiments am Institut Laue-Langevin in Grenoble nichts gefunden wurde, so liefern die Ergebnisse doch eine experimentelle Einschränkung für den Massenbereich, in dem Axionen möglicherweise künftig auftauchen könnten. Ries weist darauf hin, dass am Paul Scherrer Institut in den kommenden Jahren ein neues Experiment zur Untersuchung von ultrakalten Neutronen aufgebaut wird, das sozusagen als Nebenprodukt ebenfalls präzisere Daten für die erneute Suche nach Axionen liefern dürfte. "Solche Experimente müssen unter sehr stabilen magnetischen Bedingungen stattfinden. Dazu wird in einem neuen Aufbau zum Beispiel ein neuer Abschirmschild installiert."

Die Mainzer Kernchemie arbeitet seit vielen Jahren mit den Kollegen am Paul Scherrer Institut zusammen und hat für das Neutronen-Experiment zur Messung des elektrischen Dipolmoments ein relevantes Bauteil geliefert. Auch an den künftigen Versuchsaufbauten werden die JGU-Wissenschaftler beteiligt sein, insbesondere auch Prof. Dr. Dieter Ries. Der Wissenschaftler ist seit Oktober 2017 Juniorprofessor an der JGU und betreibt hier Grundlagenforschung mit ultrakalten Neutronen am Forschungsreaktor TRIGA Mainz. Seine Forschungsschwerpunkte sind die Lebensdauer des Neutrons, wozu derzeit in der Kernchemie ein großes Experiment aufgebaut wird, sowie die Suche nach dem elektrischen Dipolmoment des Neutrons in der am PSI angesiedelten Kollaboration.