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Belle II-Detektor in Tsukuba (Japan) © Belle II Collaboration
Belle II-Detektor in Tsukuba (Japan) © Belle II Collaboration

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Mit neuen Daten der dunklen Materie auf der Spur

07.04.2020

Die Physik geht davon aus, dass es zwischen dunkler Materie und regulärer Materie außer der Gravitation noch weitere Wechselwirkungen gibt. Mit Daten, die am japanischen Teilchenbeschleuniger SuperKEKB gewonnen wurden, konnten Physiker/innen der Österreichischen Akademie der Wissenschaften nun ein neues Modell für eine solche Wechselwirkung erfolgreich testen. Damit ist das internationale Team beim Nachweis der dunklen Materie einen wichtigen Schritt weiter gekommen.

Um die Anordnung von Materie, die Rotationskurven von Galaxien und andere beobachtete Phänomene im sichtbaren Universum zu erklären, greift die Physik auf das Konzept der dunklen Materie zurück. Diese mysteriöse Substanz, von der angenommen wird, dass sie 85 Prozent der Masse des Universums umfasst, macht sich durch ihre Gravitation bemerkbar, konnte ansonsten aber noch nicht beobachtet werden. Es gibt verschiedene Theorien darüber, woraus die dunkle Materie bestehen könnte. Da ein direkter Nachweis bisher nicht gelungen ist, stehen Physiker/innen aber nach wie vor vor offenen Fragen.

Neue physikalische Grundkraft

Das sogenannte Belle II-Experiment am Teilchenbeschleuniger SuperKEKB in Tsukuba in Japan soll hier Abhilfe schaffen. Die über 1.000 Forscher/innen aus 26 Ländern, die an Belle II beteiligt sind, hoffen damit einen indirekten Nachweis für die Existenz dunkler Materie zu finden. Sie gehen davon aus, dass es zwischen dunkler und regulärer Materie neben der Gravitation noch andere Wechselwirkungen gibt. Im Experiment in Japan werden daher Positronen und Elektronen in einem Teilchenbeschleuniger zur Kollision gebracht. Entsteht dabei dunkle Materie, würde sie sich durch Löcher in der Energiebilanz verraten.

"Das ist ein einfacher quantenelektrodynamischer Prozess. Dabei entstehen zwei Myonen, eines mit positiver und eines mit negativer Ladung. Diese beiden schweren Cousins des Elektrons können durch eine postulierte neue Grundkraft dunkle Materie abstrahlen. Das könnten wir in unserem Detektor erkennen, und zwar dann, wenn Masse beziehungsweise Energie verloren geht und wir keine passende Erklärung für den Verlust finden", erklärt Gianluca Inguglia vom Institut für Hochenergiephysik der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW). Er und sein Team leiten die Suche nach einer neuen Grundkraft im Belle II-Experiment.

Nadel im Heuhaufen

Die Forscher/innen können durch die Analyse des Myonenpaars feststellen, wie viel Energie beim Prozess verloren gegangen ist. Dieses Loch in der Energiebilanz erlaubt Aussagen über die mögliche neue Grundkraft, die hier am Werk sein könnte. "Die fehlende Energie würde uns sagen, welche Masse und weiteren Eigenschaften das Trägerteilchen dieser Kraft hat", sagt ÖAW-Physiker Inguglia. Die Eigenschaften eines neuen Bosons könnten dann auch Rückschlüsse auf die Parameter der dunklen Materie erlauben.

Die ersten Messungen, die vom Belle II-Experiment durchgeführt und nun - als erste Publikation des 2018 gestarteten Versuchs - im Fachjournal Physical Review Letters veröffentlicht wurden, haben im bislang untersuchten Massebereich keine Lücken in der Energiebilanz offenbart. "Wir haben bewiesen, dass unser Detektor funktioniert. Das war sehr viel Arbeit, weil wir unsere Instrumente und Daten sehr genau verstehen müssen, um derartige Messungen überhaupt durchführen zu können. Unsere ersten Ergebnisse zeigen, dass im untersuchten Masse- beziehungsweise Energiebereich kein neues Boson existiert. Das schränkt die möglichen Eigenschaften einer neuen physikalischen Kraft bereits ein. Darauf können wir und andere Forschungsgruppen in Zukunft aufbauen", sagt Inguglia.

Mehr Licht ins Dunkel

Die Wissenschaftler/innen legen Wert darauf, dass ihre Ergebnisse nicht an ein bestimmtes Modell der dunklen Materie gebunden sind. "Wenn wir tatsächlich eine neue Kraft nachweisen und so Aussagen über die Eigenschaften von dunkler Materie treffen können, wäre das eine entscheidende Erkenntnis, nämlich ein Weg zu neuer Physik außerhalb des derzeitigen Standardmodells", blickt Inguglia in die Zukunft. Diese erste Analyse der Belle II-Daten hat bewiesen, dass der verfolgte Ansatz vielversprechend ist. Mit mehr Daten wird Belle II in Zukunft die möglichen Parameter einer zusätzlichen Grundkraft weiter einschränken und damit mehr Licht in den dunklen Teil des Universums bringen.

PUBLIKATION

"Search for an invisibly decaying Z′ boson at Belle II in e+e−→μ+μ−(e±μ∓) plus missing energy final states", Belle II Collaboration, Physical Review Letters, 2020

DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.124.141801

Rückfragehinweis
 
Sven Hartwig
Leiter Öffentlichkeit & Kommunikation
Österreichische Akademie der Wissenschaften
Dr. Ignaz Seipel-Platz 2, 1010 Wien
T +43 1 51581-1331
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Wissenschaftliche Kontakte:

Gianluca Inguglia
Institut für Hochenergiephysik
Österreichische Akademie der Wissenschaften
Nikolsdorfer Gasse 18, 1050 Wien
M: +43 680 1339373
gianluca.inguglia@oeaw.ac.at
 
Christoph Schwanda
Institut für Hochenergiephysik
Österreichische Akademie der Wissenschaften
Nikolsdorfer Gasse 18, 1050 Wien
M: +43 660 581 7812
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