Photonen: Auf der Jagd nach dunklen Kräften

In Tunneln unter der Thomas Jefferson National Accelerator Faciliy in Newport News jagt ein Beschleuniger einen Strahl aus Elektronen im Kreis herum. Die Energie der Teilchen ist nur mittelmäßig, aber der Strahl ist dicht mit ihnen gepackt – denn es ist ein heller Strahl erforderlich, um Photonen zu entdecken, die nicht leuchten.

In einem dreiwöchigen Experiment, das am 24. April beginnt, prallen 500 Millionen Mal in der Sekunde Elektronen auf ein dünnes Ziel aus Wolfram und erzeugen so eine Kaskade aus kurzlebigen Teilchen. In diesen Trümmern hoffen die am Projekt „Heavy Photon Search“ (HPS, „Suche nach schweren Photonen“) beteiligten Physiker auf etwas extrem Seltenes zu stoßen: auf ein „schweres“ oder „dunkles“ Photon. Die Entdeckung würde die Tür aufstoßen zu einer bislang unsichtbaren Welt dunkler Kräfte und dunkler Atome, über deren Existenz Theoretiker seit Langem spekulieren. Und sie könnte dabei helfen, die Dunkle Materie festzunageln, aus der nach heutigen Erkenntnissen 85 Prozent der Materie im Universum bestehen soll, die sich aber bislang noch allen Nachforschungen entzieht.

Die HPS-Forscher am Jefferson Lab geben zu, dass ihr Experiment, ebenso wie zwei weitere am Institut, höchst spekulativ ist – wahrscheinlich liefert es kaum mehr als ein Null-Resultat. Aber die vergleichsweise geringen Kosten solcher Projekte – gerade einmal drei Millionen US-Dollar für Bau und Betrieb des HPS-Detektors – haben weitere Forscher dazu animiert, auf den Zug aufzuspringen. „Es ist immer eine der großen Fragen der Physik, ob es weitere fundamentale Kräfte gibt“, sagt der Physiker John Jaros, einer der Sprecher des HPS-Experiments.

Im Gegensatz zu konventionellen Photonen hätten dunkle Photonen eine Masse und wären nur indirekt nachweisbar – nachdem sie in Elektronen und Positronen (den Antiteilchen der Elektronen) zerfallen sind. Ähnlich wie die vertrauten Photonen Träger der elektromagnetischen Wechselwirkung sind, tragen auch die dunklen Photonen eine Kraft. Dabei handelt es sich um eine neue Naturkraft zusätzlich zu den vier bereits bekannten. Die Teilchen wären das erste Zeichen für die Existenz eines verborgenen Sektors, der einen ganzen Zoo neuer Teilchen enthalten könnte, darunter auch die Teilchen der Dunklen Materie. Die Entdeckung dunkler Photonen „wäre vergleichbar mit der Entdeckung der Monde um den Planeten Jupiter durch Galilei“, sagt Nima Arkani-Hamed, theoretischer Physiker am Institute for Advanced Studies in Princeton.

Die Theoretiker hatten gehofft, dass der Large Hadron Collider (LHC) am CERN bei Genf, der teuerste und energiereichste Teilchenbeschleuniger der Welt, die Tür zu neuen Konzepten wie der Supersymmetrie öffnet. Dabei handelt es sich um einen Satz von Theorien, die einige Probleme des Standardmodells der Physik lösen könnten. Doch bislang hat der LHC keinen einzigen Hinweis dafür geliefert, dass es die Teilchen der Dunklen Materie tatsächlich gibt, deren Existenz einige supersymmetrische Modelle vorhersagen. „Dieses Null-Ergebnis macht die Leute nicht glücklich“, gesteht Philip Schuster, Theoretiker am Perimeter Institute for Theoretical Physics in Waterloo in der kanadischen Provinz Ontario. „Die Leute fragen sich, was für andere Möglichkeiten es da draußen noch gibt.“

Manche Physiker wenden sich aber auch stattdessen der „Intensitätsfront“ zu: Sie erzeugen möglichst viele Teilchenkollisionen und suchen in den Trümmern nach extrem seltenen Ereignissen. Die Elektronenstrahlen am Jefferson Lab sind nicht die energiereichsten, aber sie sind extrem intensiv.

Bob Holdom von der University of Toronto schlug 1986 erstmalig die Existenz eines dunklen Sektors vor. Doch dieser Sektor blieb im Großen und Ganzen unerforscht, bis vor ein paar Jahren eine Gruppe von Theoretikern um Arkani-Hamad der Idee neues Leben einhauchten. Auslöser waren Ergebnisse der Satelliten-Mission PAMELA (Payload for Antimatter Matter Exploration and Light-nuclei Astrophysics, auf deutsch etwa: Nutzlast für die Antimaterie-Materie-Forschung und die Astrophysik leichter Atomkerne) aus dem Jahr 2006, die einen rätselhaften Überschuss an Positronen im Weltall gezeigt hatten. Theoretiker schlugen damals vor, dieser Überschuss sei eine Folge der gegenseitigen Vernichtung von Teilchen der Dunklen Materie.

Doch die zumeist als Bestandteil der Dunklen Materie vorgeschlagenen schweren Teilchen, die so genannten WIMPs (weakly interacting massive particles, schwach wechselwirkende massereiche Teilchen) würden in Protonen und Antiprotonen zerfallen – die PAMELA aber nicht gesehen hat. Ein Teilchen der Dunklen Materie aus dem dunklen Sektor – Arkani-Hamed spricht von „noch dunklerer Materie“ – wäre dagegen nur durch einen Zerfall sichtbar, in den dunkle Photonen als Träger der Wechselwirkung involviert sind. Und dabei entstehen keine Antiprotonen, sondern Positronen.

Einen zweiten Grund lieferten verblüffende Ergebnisse, über die 2004 Physiker des Brookhaven National Laboratory in Upton im US-Bundesstaat New York berichteten. Sie waren darauf gestoßen, dass das magnetische Moment des Myons, eines dem Elektron ähnelnden, aber kurzlebigen Teilchens, nicht den Vorhersagen des Standardmodels entspricht. Das magnetische Moment ist eine Folge der Teilchenladung und des Teilchenspins. Die von den Forschern am Brookhaven Lab beobachtete „Myon g-2 Anomalie“ lässt sich ebenfalls mit einer Wechselwirkung des dunklen Sektors erklären, so Arkani-Hamed. Er betont, dass die Idee keineswegs so verrückt sei, wie sie klingt: „Aus der Sicht eines Theoretikers ist die ganze Sache ganz einfach und konservativ.“

Die Vorhersagen lassen sich einfach und relativ schnell überprüfen. Der Hauptelektronenstrahl am Jefferson Lab mit einer Energie von sechs Gigaelektronenvolt hat die richtige Energie um den wahrscheinlichsten Massenbereich für ein schweres Photon zu untersuchen. Nach einem dreiwöchigen Testlauf des HPS wird die Anlage so aufgerüstet, dass sich die Energie des Strahls noch einmal verdoppelt. Damit können das HPS und ein weiteres Projekt, das „A Prime Experiment“ APEX, bis 2015 andere Bereiche des dunklen Sektors erkunden. Ein dritter Vorschlag namens „DarkLight“ soll den Strahl, der den Freie-Elektronen-Laser des Labors antreibt, nutzen, um nach schweren Photonen bei niedrigeren Energien zu suchen.

Arkani-Hamed wäre nicht überrascht, wenn die künftige Marschrichtung der Teilchenphysik sich aus moderaten Experimenten wie jenen am Jefferson Lab ergibt, und nicht aus den Arbeiten am CERN. „Es könnte sein, dass solche kleineren, schnelleren, billigeren, aus dem Stand entwickelten Experimente mit hoher Intensität, aber niedriger Energie vor den großen Monstern auf Anzeichen für eine neue Physik stoßen.“

Quelle: Spektrum.de vom 20.04.2012

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