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Physiker finden keine Hinweise auf einen Einfluss der Dunklen Materie auf die Kraft zwischen den Kernen

Ultrapräzise molekulare Spektroskopie von HD + -Ionen

HD + -Molekülionen (gelbe und rote Punktpaare: Proton und Deuteron; das Elektron ist nicht gezeigt) suspendiert in einem Ultrahochvakuum zwischen Atomionen (blaue Punkte), die mit einem Laserstrahl (blau) immobilisiert werden. Eine elektromagnetische Welle (rotbraune Scheiben) bewirkt, dass sich die Molekülionen drehen. Ein weiterer Laserstrahl (grün) zeichnet diese Anregung auf. Die Zeichnung ist nicht maßstabsgetreu. Bildnachweis: HHU / Alighanbari, Hansen, Schiller

Das Universum besteht hauptsächlich aus einer neuartigen Substanz und einer Energieform, die noch nicht verstanden wurden. Diese „dunkle Materie“ und „dunkle Energie“ sind mit bloßem Auge oder durch Teleskope nicht direkt sichtbar. Astronomen können ihre Existenz nur indirekt anhand der Form der Galaxien und der Dynamik des Universums nachweisen. Dunkle Materie interagiert mit normaler Materie über die Gravitationskraft, die auch die kosmischen Strukturen normaler, sichtbarer Materie bestimmt.

Es ist noch nicht bekannt, ob dunkle Materie auch über die anderen drei Grundkräfte – die elektromagnetische Kraft, die schwache und die starke Kernkraft – oder eine zusätzliche Kraft mit sich selbst oder mit normaler Materie interagiert. Selbst sehr ausgefeilte Experimente konnten eine solche Wechselwirkung bisher nicht nachweisen. Das heißt, wenn es überhaupt existiert, muss es sehr schwach sein.

Um mehr Licht in dieses Thema zu bringen, führen Wissenschaftler auf der ganzen Welt verschiedene neue Experimente durch, bei denen die Wirkung der nicht-gravitativen Grundkräfte mit möglichst geringer äußerer Interferenz stattfindet und die Wirkung dann genau gemessen wird. Abweichungen von den erwarteten Effekten können auf den Einfluss von Dunkler Materie oder Dunkler Energie hinweisen. Einige dieser Experimente werden mit riesigen Forschungsmaschinen durchgeführt, wie sie beispielsweise in untergebracht sind CERN, die Europäische Organisation für Kernforschung in Genf. Experimente im Labormaßstab, zum Beispiel in Düsseldorf, sind aber auch möglich, wenn sie auf maximale Präzision ausgelegt sind.

Das Team unter der Leitung von Prof. Stephan Schiller vom Institut für Experimentalphysik der HHU hat die Ergebnisse eines Präzisionsexperiments zur Messung der elektrischen Kraft zwischen Proton („p“) und Deuteron („d“) in der Zeitschrift vorgestellt Natur. Das Proton ist der Kern des Wasserstoffs Atom (H), das schwerere Deuteron ist der Kern von Deuterium (D) und besteht aus einem Proton und einem Neutron, die miteinander verbunden sind.

Die Düsseldorfer Physiker untersuchen ein ungewöhnliches Objekt, HD +, das Ion des teilweise deuterierten Wasserstoffmoleküls. Eines der beiden normalerweise in der Elektronenhülle enthaltenen Elektronen fehlt in diesem Ion. Somit besteht HD + aus einem Proton und einem Deuteron, die durch nur ein Elektron miteinander verbunden sind, wodurch die abstoßende elektrische Kraft zwischen ihnen kompensiert wird.

Dies führt zu einem bestimmten Abstand zwischen dem Proton und dem Deuteron, der als „Bindungslänge“ bezeichnet wird. Um diesen Abstand zu bestimmen, haben die HHU-Physiker die Rotationsrate des Moleküls mit einer Genauigkeit von elf Stellen unter Verwendung einer kürzlich entwickelten Spektroskopietechnik gemessen. Die Forscher verwendeten Konzepte, die auch auf dem Gebiet der Quantentechnologie relevant sind, wie Partikelfallen und Laserkühlung.

Es ist äußerst kompliziert, die Bindungslänge aus den Spektroskopieergebnissen abzuleiten und somit die Stärke der zwischen Proton und Deuteron ausgeübten Kraft abzuleiten. Dies liegt daran, dass diese Kraft Quanteneigenschaften hat. Hier muss die in den 1940er Jahren vorgeschlagene Theorie der Quantenelektrodynamik (QED) angewendet werden. Ein Mitglied des Autorenteams verbrachte zwei Jahrzehnte damit, die komplexen Berechnungen voranzutreiben, und konnte kürzlich die Bindungslänge mit ausreichender Genauigkeit vorhersagen.

Diese Vorhersage entspricht dem Messergebnis. Aus der Vereinbarung kann man die maximale Stärke einer durch dunkle Materie verursachten Modifikation der Kraft zwischen einem Proton und einem Deuteron ableiten. Prof. Schiller kommentiert: „Mein Team hat diese Obergrenze jetzt mehr als 20-fach gesenkt. Wir haben gezeigt, dass dunkle Materie viel weniger mit normaler Materie interagiert als bisher für möglich gehalten wurde. Diese mysteriöse Form der Materie bleibt zumindest im Labor weiterhin verdeckt! “

Referenz: „Präziser Test der Quantenelektrodynamik und Bestimmung von Grundkonstanten mit HD + -Ionen“ von S. Alighanbari, G. S. Giri, F. L. Constantin, V. I. Korobov und S. Schiller, 6. Mai 2020, Natur.
DOI: 10.1038 / s41586-020-2261-5