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Kein Axion in Sicht

Beam EDM-Experiment fahndet mit Präzisionsmessungen nach Dunkler Materie

Part of the Beam EDM experiment in Bern with PhD student Ivo Schulthess
Bild: F. Piegsa

Das elektrische Dipolmoment des Neutrons ist gerade ein grosses Thema in der Schweizer Physiklandschaft. So steigt zum Beispiel die Spannung rund um das n2EDM-Experiment (link), das ab nächstem Jahr mit ultrapräzisen Messungen dieser Grösse beginnen wird, die uns viel über unsere Existenz verraten könnte. Ausserdem macht auch ein anderes Experiment rund um das elektrische Dipolmoment des Neutrons von sich reden: „Beam EDM“.

Das internationale Forschungsteam des an der Universität Bern entwickelten Experiments ist der mysteriösen Dunklen Materie ein wenig dichter auf die Pelle gerückt. Dunkle Materie, die laut kosmologischen Beobachtungen einen Grossteil der Materie im Universum ausmachen müsste, besteht aller Wahrscheinlichkeit nach aus bisher noch nicht entdeckten Teilchen. Es gibt verschiedene Experimente, die entweder direkt nach diesen Teilchenkandidaten forschen oder versuchen, den Suchbereich immer weiter zu verkleinern, um den Teilchen, die von vielen verschiedenen Theorien vorhergesagt werden, auf die Spur zu kommen. Eines der postulierten Dunkle-Materie-Teilchen ist das sogenannte Axion, das sehr leicht wäre und so gut wie gar nicht mit anderen Teilchen interagiert. „Falls die schwer fassbaren Axionen tatsächlich existieren, so sollten sie eine charakteristische Signatur in unserer empfindlichen Messapparatur hinterlassen“, erklärt Florian Piegsa, Professor für Niederenergie- und Präzisionsphysik am Albert Einstein Center for Fundamental Physics (AEC) der Universität Bern.


„Mit unserem Experiment lässt sich die Drehfrequenz von Neutronen-Spins bestimmen, welche sich durch eine Überlagerung von elektrischen und magnetischen Feldern bewegen», erklärt Ivo Schulthess, Doktorand am AEC und Erstautor der jetzt in den Physical Review Letters veröffentlichten Studie. Ähnlich wie bei n2EDM fungiert der Spin jedes einzelnen Neutrons 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 gesucht, 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.

Das Experiment wurde an der Europäischen Forschungsneutronenquelle des Instituts Laue-Langevin in Frankreich durchgeführt und liefert mit den neuen Messungen einen wichtigen Beitrag bei der Suche nach noch unbekannten Materieteilchen. Die Forschenden konnten einen bisher komplett unerforschten Parameterbereich für Axionen experimentell ausschliessen. Beam EDM setzt unterdessen seine Suche nach dem elektrischen Dipolmoment des Neutrons fort.

Mehr Info

article: New Limit on Axionlike Dark Matter Using Cold Neutrons, Phys. Rev. Lett. 129, 191801 - 4/11/2022: https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.191801

Universität Bern / Barbara Warmbein

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  • Elementarteilchenphysik