Eines steht fest: Da draußen ist etwas, was wir nicht kennen. Seit vielen Jahren sucht man nach der geheimnisvollen „dunklen Materie“ oder „dunklen Energie“. Mit den bisher bekannten Naturkräften und Teilchen kann man nämlich wichtige kosmologische Phänomene nicht erklären – etwa die beschleunigte Expansion des Universums.

Immer wieder werden neue Theorien vorgeschlagen, mit denen sich die „dunkle Energie“ erklären ließe. Ein Kandidat dafür wären sogenannte „Symmetron-Felder“, die ähnlich wie das Higgs-Feld den gesamten Raum durchdringen würden. An der TU Wien hat man Experimente entwickelt, bei denen mit Hilfe von Neutronen extrem kleine Kräfte gemessen werden können. Die Messungen fanden an der ultrakalten Neutronenquelle PF2 des Instituts Laue-Langevin im Rahmen einer 100-tägigen Meßkampagne statt. Sie hätten einen Hinweis auf die geheimnisvollen Symmetronen liefern können – doch die Teilchen blieben unentdeckt.

Das ist noch nicht das endgültige Ende für die Symmetronen-Theorie, doch zumindest in einem großen Parameterbereich kann man die Existenz von Symmetronen nun ausschließen. Die „dunkle Energie“ muss wohl auf andere Weise erklärt werden.

Das Symmetron– der kleine Bruder des Higgs-Teilchens?
„Eigentlich wären Symmetronen eine sehr schöne, elegante Erklärung für die dunkle Energie“, sagt Prof. Hartmut Abele, wissenschaftlicher Leiter des Forschungsprojekts. „Das Higgs-Feld wurde ja bereits nachgewiesen, und das Symmetronen-Feld ist eng mit dem Higgs-Feld verwandt.“ Doch ähnlich wie beim Higgs, dessen Masse bis zu seiner Entdeckung unbekannt war, lassen sich auch die physikalischen Eigenschaften des Symmetrons nicht genau vorhersagen.

„Niemand kann sagen, welche Masse die Symmetronen hätten und wie stark sie mit gewöhnlicher Materie wechselwirken würden“, erklärt Hartmut Abele. „Deshalb ist es auch schwierig, sie im Experiment nachzuweisen – oder definitiv zu beweisen, dass es sie nicht gibt.“ Man kann die Existenz von Symmetronen immer nur in einem bestimmten Parameterbereich bestätigen oder ausschließen – also Symmetronen mit Massen oder Kopplungskonstanten in einem bestimmten Wertebereich.

Man tastet sich daher mit unterschiedlichen Experimenten voran, um unterschiedliche Parameterbereiche zu untersuchen. Schon bisher wusste man, dass manche Bereiche ausgeschlossen werden können. So kann es etwa Symmetronen mit großer Masse und kleiner Kopplungsstärke nicht geben, weil sie sich sonst auf atomarer Ebene bereits entdeckt hätte: Genaue Untersuchungen des Wasserstoffatoms hätten dann andere Ergebnisse liefern müssen. Andererseits lassen sich auch Symmetronen in einem bestimmten Bereich mit sehr großer Kopplungsstärke ausschließen, weil man sie sonst bei anderen Experimenten mit großen, massiven Pendeln nachweisen hätte können.

Neutronen als Kraft-Sensoren an der Neutronenquelle des Instituts Laue-Langevin
Dazwischen gab es bisher aber noch sehr viel Platz für mögliche Symmetronen, der nun in den Experimenten der TU Wien untersucht wurde. Extrem langsame Neutronen werden zwischen zwei Spiegelplatten hindurchgeschossen. Die Neutronen können sich dabei in zwei verschiedenen quantenphysikalischen Zuständen befinden. Die Energien dieser Zustände hängen davon ab, welche Kräfte auf das Neutron wirken – so wird das Neutron zum extrem sensiblen Kraft-Detektor. Würde man feststellen, dass ganz knapp über dem Spiegel eine andere Kraft auf das Neutron wirkt als ein Stück darüber, dann wäre das ein starker Hinweis auf die Existenz des Symmetronen-Felds. Mario Pitschmann von der TU Wien, Philippe Brax vom CEA bei Paris und Guillaume Pignol vom LPSC Grenoble haben den Einfluss eines Symmetronfeldes auf das Neutron berechnet.

Doch obwohl die Messmethode extrem genau ist, konnte ein solcher Effekt nicht nachgewiesen werden. Die Genauigkeit der Vermessung von Energiedifferenzen liegt beim Experiment bei etwa 2x10^-15 Elektronenvolt, ein Verdienst der Dissertation von Gunther Cronenberg an der TU Wien. Das entspricht der Energie, die man benötigt, um ein einzelnes Elektron im Gravitationsfeld der Erde um etwa 30 Mikrometer nach oben zu heben – eine unvorstellbar kleine Energiemenge.

Die für das Experiment benötigten ultrakalten Neutronen wurden am Instrument PF2 des Instituts Laue-Langevin bereitgestellt. „Für derartige Präzisionsexperimente bei extrem kleinen Zählraten ist das PF2 mit seinem weltweit stärksten Fluß ultrakalter Neutronen praktisch alternativlos.“, erklärt Tobias Jenke. Er war maßgeblich an der Entwicklung des Experiments an der TU Wien beteiligt und ist heute zusammen mit Peter Geltenbort Strahlplatzverantwortlicher der ultrakalten Neutronenquelle am Institut Laue-Langevin. Österreich ist wiederum wissenschaftliches Mitgliedsland des Institut Laue-Langevin und hat dadurch Zugang zu dessen Instrumenten.

Der Anfang vom Ende der Symmetronen
Es sieht insgesamt also nicht gut aus für die Theorie der Symmetronen, aber ganz widerlegt ist ihre Existenz noch nicht. „Wir konnten einen großen Parameterbereich ausschließen – Symmetronen mit Eigenschaften in diesem Bereich gibt es definitiv nicht, sonst hätten wir sie gefunden“, sagt Hartmut Abele. Um auch die verbleibenden Schlupflöcher definitiv zu schließen braucht man noch etwas bessere Messungen – oder eine Entdeckung, die das Rätsel der dunklen Energie auf andere Weise löst.



Originalpublikation: Cronenberg et al., Acoustic Rabi oscillations between gravitational quantum states and impact on symmetron dark energy; Nature Physics, 2018. DOI: 10.1038/s41567-018-0205-x

Kontakt:
Prof. Hartmut Abele
Atominstitut
Technische Universität Wien
Stadionallee 2, 1020 Wien
T: +43-1-58801-141447
hartmut.abele@tuwien.ac.at

Aussender:
Dr. Florian Aigner
Technische Universität Wien
PR und Marketing
Resselgasse 3, 1040 Wien
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florian.aigner@tuwien.ac.at