Mit Antiprotonen auf der Jagd nach dunkler Materie

Einen völlig neuen Ansatz bei der Suche nach dunkler Materie haben Wissenschaftler der BASE-Kollabo­ration am europä­ischen Forschungs­zentrum CERN zusammen mit einer Arbeits­gruppe am Exzellenz­cluster PRISMA+ der Uni Mainz verfolgt: Erstmals haben sie den Einfluss von dunkler Materie auf Antimaterie statt auf gewöhnliche Materie unter­sucht. „Bisher haben Wissen­schaftler in Präzisions­experimenten bei niedrigen Energien stets materie­basierte Proben benutzt, um an ihnen eine Kopplung von dunkler Materie nach­zu­weisen“, erläutert Christian Smorra, der zurzeit am japanischen Forschungs­institut RIKEN tätig ist und in den nächsten Jahren eine Arbeits­gruppe an der Uni Mainz aufbauen wird. „Wir suchen zum ersten Mal explizit nach einer Wechsel­wirkung zwischen dunkler Materie und Antimaterie. Die meisten Studien gehen von einer symmetrischen Wechsel­wirkung der dunklen Materie mit Teilchen und Antiteilchen aus. Wir über­prüfen in unserer Studie, ob das wirklich der Fall ist.“

Der Ansatz hat doppelten Charme: Über die mikro­skopischen Eigen­schaften der dunklen Materie ist bisher nur sehr wenig bekannt – einer der viel diskutierten Kandidaten sind ALPs – „Axion Like Particles“. Darüber hinaus liefert das Standard­modell der Teilchen­physik keine Erklärung, warum es im Universum so viel mehr Materie als Antimaterie gibt. „Wir hoffen, durch unsere Experi­mente einen Hinweis zu finden, der die beiden Frage­stellungen verbinden könnte“, sagt Yevgeny Stadnik, der am Helmholtz-Institut Mainz an der Studie mitgewirkt hat. „Denn sowohl theoretisch als auch experi­mentell ist eine asymme­trische Wechsel­wirkung dieser Art zuvor noch nicht unter­sucht worden. In unserer aktuellen Forschungs­arbeit gehen wir einen ersten Schritt in diese Richtung.“

Das Untersuchungsobjekt der Wissen­schaftler ist ein einzelnes Antiproton, gefangen in einer Penning­falle. Diese Teilchen erzeugten die Wissen­schaftler am Antiproton Decelerator am CERN, der weltweit einzigen Forschungs­anlage, in der Antiprotonen bei niedriger Energie zur Verfügung gestellt werden. Anschließend speicherten und unter­suchten die Wissen­schaftler die dort erzeugten Antiprotonen im Fallen­system der BASE-Kollabo­ration.

Das Antiproton besitzt nicht nur eine Ladung, sondern auch einen Spin. In einem Magnetfeld präzediert dieser Spin mit einer ganz bestimmten, konstanten Frequenz – der Spin­präzessions­frequenz. „Die Anwesen­heit von dunkler Materie könnten wir dadurch detek­tieren, dass sich diese Frequenz verändert“, so Smorra. „Dabei betrachten wir die poten­ziellen Teilchen der dunklen Materie als klassisches Feld mit einer bestimmten Wellen­länge. Diese Wellen laufen kontinu­ierlich durch unser Experi­ment und verändern dort periodisch die eigentlich konstante Präzessions­frequenz des Antiproton-Spins im Magnetfeld.“

Mit ihrem experimentellen Aufbau haben die Forscher einen bestimmten Frequenz­bereich abgesucht – und bisher keine Hinweise auf dunkle Materie gefunden. „Mit unserem aktuellen Messaufbau haben wir zwar keine signi­fikante und perio­dische Änderung der Spin­präzessions­frequenz des Antiprotons gefunden“, erläutert Stefan Ulmer, Sprecher der BASE-Kollabo­ration am CERN. „Gleich­wohl haben wir die Empfind­lich­keit im Vergleich zu astro­physika­lischen Beobach­tungen um bis zu fünf Größen­ordnungen über­troffen. Das bedeutet, wir haben basierend auf der jetzigen Empfind­lich­keit unseres Experi­ments eine neue obere Grenze für die Stärke einer potenziellen Wechsel­wirkung zwischen dunkler Materie und Antimaterie definiert.“

Künftig wollen die Wissenschaftler die Genauig­keit bei der Messung der Spin­präzessions­frequenz des Antiprotons weiter verbessern. Das wäre dann auch die Voraus­setzung dafür, die auf Antimaterie basierende Suche nach dunkler Materie noch empfind­licher zu machen. Hierzu werden neue Kühl­methoden für Protonen und Antiprotonen entwickelt, sowie Methoden zur Quanten­logik-Spektro­skopie des Antiproton-Spins entwickelt. Es wäre darüber hinaus interessant, ähnliche Studien mit anderen Antiteilchen durch­zu­führen, zum Beispiel mit Positronen oder Antimyonen.

JGU / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung:
  C. Smorra et al.: Direct limits on the interaction of antiprotons with axion-like dark matter, Nature 575, 310 (2019); DOI: 10.1038/s41586-019-1727-9
• BASE-Collaboration, CERN – Europäische Organisation für Kernforschung
• Exzellenzcluster PRISMA+, Johannes Gutenberg-Universität Mainz