Beobachtungen der Bewegung von Neutronen und Atomen von Schwermetallen bei extrem niedrigen Temperaturen haben gezeigt, dass die leichtesten Formen von Axionen, Teilchen "heller" dunkler Materie, im Prinzip nicht existieren können, was die Suche erneut erschwert, so ein in der Zeitschrift Physical Review X veröffentlichter Artikel …
„Diese Ergebnisse öffnen ein neues Fenster für die Suche nach dunkler Materie. Sie weisen darauf hin, dass Axionen im Prinzip nicht in einem sehr weiten Bereich von Massen und Energien existieren können, was das Feld, in dem wir nach Spuren dieser mysteriösen Substanz suchen müssen, merklich reduziert. Wir können sagen, dass unsere Suche jetzt von neuem beginnt “, sagte Nicholas Ayres von der University of Sussex (UK).
Lange Zeit glaubten Wissenschaftler, dass das Universum aus der Materie besteht, die wir sehen und die die Grundlage aller Sterne, Schwarzen Löcher, Nebel, Staubhaufen und Planeten bildet. Die ersten Beobachtungen der Bewegungsgeschwindigkeit von Sternen in nahe gelegenen Galaxien zeigten jedoch, dass sich die Sterne am Stadtrand mit einer unglaublich hohen Geschwindigkeit in ihnen bewegen, die etwa zehnmal höher war als Berechnungen, die auf den Massen aller Sterne in ihnen basierten.
Der Grund dafür war laut heutigen Wissenschaftlern die sogenannte dunkle Materie - eine mysteriöse Substanz, die etwa 75% der Masse der Materie im Universum ausmacht. Typischerweise hat jede Galaxie etwa 8 bis 10 Mal mehr dunkle Materie als ihre sichtbare Cousine, und diese dunkle Materie hält die Sterne an Ort und Stelle und verhindert, dass sie sich zerstreuen.
Heute sind fast alle Wissenschaftler von der Existenz der Dunklen Materie überzeugt, aber ihre Eigenschaften bleiben neben ihrem offensichtlichen Einfluss der Gravitation auf Galaxien und Galaxienhaufen ein Rätsel und werden von Astrophysikern und Kosmologen kontrovers diskutiert. Wissenschaftler haben lange Zeit angenommen, dass es aus superschweren und "kalten" Partikeln besteht - "Weicheier", die sich in keiner Weise manifestieren, außer indem sie sichtbare Materiecluster anziehen.
Die erfolglose Suche nach "WIMPs" in den letzten zwei Jahrzehnten hat viele Theoretiker zu der Annahme geführt, dass dunkle Materie tatsächlich "hell und flauschig" sein kann und aus sogenannten Axionen besteht - ultraleichten Teilchen, deren Masse und Eigenschaften Neutrinos ähneln.
Ayres und seine Kollegen entdeckten tatsächlich versehentlich, dass die leichtesten Arten von Axionen, über die Theoretiker oft sprechen, im Prinzip nicht existieren können, und analysierten die Ergebnisse des CryoEDM-Experiments, das extrem weit von Kosmologie und Dunkler Materie entfernt ist.
Dieses Projekt wurde nach Angaben des Physikers vor zwei Jahrzehnten gestartet, um eine der kleinsten Grundgrößen - das Neutronendipolmoment - genau zu messen. Mit diesem Wort verstehen Physiker, wie die Bereiche mit positiven und negativen Ladungen im Neutron verteilt sind und ob das Neutron wirklich ein vollständig elektrisch neutrales Teilchen ist.
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In CryoEDM versuchen Physiker, das Dipolmoment des Neutrons zu ermitteln, indem sie beobachten, wie eine "Suppe" einzelner Atome eines seltenen Isotops aus Quecksilber und Neutronen auf plötzliche Änderungen der Richtung und Stärke des elektrischen Feldes reagiert, in dem sie sich befinden. Wenn das Neutron ein Dipolmoment hat, "ruckelt" sein Spin auf besondere Weise, wenn das Feld "kippt", was durch Beobachtung der Änderung der Polarisation des Teilchens "gesehen" werden kann.
Bei der Analyse der Daten, die die CryoEDM-Detektoren in der ersten Phase ihrer Arbeit erhalten hatten, stellten die Wissenschaftler fest, dass die Genauigkeit dieser Beobachtungen so hoch war, dass das Verhalten von Quecksilber- und Neutronenatomen stark durch die Wechselwirkungen ihrer subatomaren Partikel mit Axionen beeinflusst würde. Mit anderen Worten, wenn Axionen existieren, verursachen sie eine andere Art von Schwingung, und ihre Stärke hängt direkt von der Masse der Teilchen der dunklen Materie ab.
Wie die wiederholte Analyse der CryoEDM-Daten zeigt, wurde beim Verhalten von Quecksilber und Neutronen nichts dergleichen beobachtet, was auf das grundsätzliche Fehlen der leichtesten Versionen von Axionen hinweist, deren Masse millionen- und zig Milliarden Mal geringer ist als die eines Elektrons.
Solche Ergebnisse schließen, wie Ayrs betont, die Möglichkeit der Existenz anderer Arten von Axionen nicht aus, sondern schränken die Größe des Feldes merklich ein, wo ihre Existenz aus wissenschaftlicher Sicht akzeptabel bleibt. Es ist durchaus möglich, dass dunkle Materie nicht aus superschweren oder ultraleichten Partikeln besteht, die der sichtbaren Materie ähnlich sind, sondern eine völlig andere Natur hat, die wir noch nicht erraten haben, schließen die Autoren des Artikels.
