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Forscher untersuchen dunkle Photonen als Alternativen zur dunklen Materie und wollen diese Teilchen durch Experimente zur Lichtumwandlung nachweisen.
Seit Frank Zwicky die ungewöhnlich hohen Geschwindigkeiten entdeckte, mit denen sich Sterne in den äußeren Regionen von Galaxien bewegen, spekulieren Wissenschaftler, dass das Universum eine mysteriöse Substanz unbekannter Herkunft enthält. Dunkle Materie, die etwa fünfmal häufiger vorkommt als gewöhnliche Materie, war schwer direkt zu beobachten, da sie kein Licht reflektiert. Stattdessen konnten Wissenschaftler lediglich seine Gravitationswirkung auf andere Materie messen.
Daher sind sich die Forscher trotz seines Vorkommens immer noch nicht sicher, aus welchen Elementarteilchen es besteht. Lange Zeit hielten Physiker schwach wechselwirkende massive Teilchen, kurz WIMPs, für den wahrscheinlichsten Kandidaten. Die Popularität der WIMP-Hypothese hat Wissenschaftler auf der ganzen Welt dazu veranlasst, eine große Anzahl von Experimenten zum Nachweis dieser Teilchen der Dunklen Materie durchzuführen, aber weder bodengestützte Experimente noch Satellitenexperimente haben bisher zu positiven Ergebnissen geführt, was viele Wissenschaftler dazu ermutigt, mögliche Alternativen zu erkunden.
Eine der beliebtesten dieser Alternativen sind hypothetische Elementarteilchen, sogenannte dunkle Photonen, deren Eigenschaften beispielsweise ein intrinsischer Drehimpuls genannt werden drehenEs wird erwartet, dass sie denen gewöhnlicher Photonen ähneln – den Teilchen, aus denen Licht besteht.
„Dunkle Photonen sind ein hypothetischer Verwandter von Photonen und werden im Gegensatz zu masselosen Photonen oft als massiv angenommen“, erklärte Akira Miyazaki, Forscher am Fachbereich Physik und Astronomie der Universität Uppsala, in einer E-Mail.
Verwandelnde Teilchen
Eine wichtige Eigenschaft dunkler Photonen ist ihre Fähigkeit, sich ohne äußere Einwirkung in gewöhnliche Photonen umzuwandeln und umgekehrt. Dieses Phänomen ist Wissenschaftlern aus der Erforschung von Neutrinos bekannt und ähnelt dem Verhalten von drei Arten dieser Teilchen, die untereinander Transformationen durchlaufen.
Dies veranlasste die Physiker, in einer Art Experiment namens „Licht, das durch eine Wand scheint“ nach dunklen Photonen zu suchen. Die Grundidee dieser Studien ist, dass Photonen, wenn sie in einem undurchdringlichen Behälter eingeschlossen sind, mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit zu dunklen Photonen werden, die nur sehr schwach mit den Wänden des Behälters, die aus gewöhnlicher Materie bestehen, interagieren.
Diese Wechselwirkung führt dazu, dass das einfallende Licht zurückreflektiert wird und im Behälter eingeschlossen bleibt. Dunkle Photonen interagieren jedoch nicht auf die gleiche Weise mit gewöhnlicher Materie. Ohne eine solche Wechselwirkung sollten dunkle Photonen in der Lage sein, den Behälter zu verlassen und sich spontan wieder in gewöhnliche Photonen umzuwandeln, die von herkömmlichen Detektoren für elektromagnetische Strahlung außerhalb des Behälters erfasst werden können. Aus der Sicht eines Beobachters würde es so aussehen, als ob Licht aus dem Inneren des Behälters auf wundersame Weise durch dessen Wände gebrochen wäre.
In einem kürzlich veröffentlichten Artikel in Annalen der PhysikMiyazaki und seine Kollegen untersuchten die Möglichkeit, mit einem Detektor Licht mit Eigenschaften zu erfassen, die dem interessierenden Prozess der Umwandlung von Licht in dunkle Photonen und umgekehrt entsprechen würden, wenn die Masse des dunklen Photons etwa neun bis zehn Größenordnungen beträgt kleiner als die Masse des Elektrons. Dieser Massenbereich ist interessant, weil er mit theoretischen Überlegungen übereinstimmt und sowohl mit astronomischen Beobachtungen als auch mit Laborexperimenten übereinstimmt.
Dunkle Photonen erkennen
In ihrer Studie konnten die Physiker experimentell nachweisen, dass moderne Detektoren, konkret ein Spektrumanalysator und ein Signalgenerator am Karlsruher Forschungsbeschleuniger, das erwartete Signal aus der Umwandlung elektromagnetischer Strahlung in dunkle Photonen und zurück erfassen können. Sie zeigten erfolgreich, dass das Rauschen in den Detektorschaltkreisen deutlich unterdrückt werden kann, sodass das Signal in solchen Experimenten deutlich sichtbar wird.
Doch trotz dieser ermutigenden Hinweise darauf, dass wir tatsächlich dunkle Photonen erkennen können, ist für ein echtes Experiment neben einem sehr empfindlichen Detektor eine leistungsstarke Quelle elektromagnetischer Strahlung erforderlich, da die zu erwartende Wahrscheinlichkeit, dass sich ein einzelnes Photon in ein dunkles Photon verwandelt, sehr hoch ist klein, was zu einem extrem schwachen Signal führt, das durch nicht ausreichend starke elektromagnetische Strahlung im Behälter erzeugt wird.
Um ein ausreichend starkes Signal zu erzeugen, schlug das Team die Verwendung eines speziellen Generatortyps namens Gyrotron vor, der bis zu einem Megawatt elektromagnetische Strahlung erzeugen kann. Diese Quellen sind so leistungsstark, dass sie zum Erhitzen des Plasmas im ITER, dem größten bisher gebauten Fusionsreaktor, eingesetzt werden.
Hoffentlich wird in naher Zukunft eine betriebsbereite Versuchsanlage errichtet, die es ermöglicht, die in der aktuellen Studie aufgestellten Hypothesen in der Praxis zu testen, da die Entdeckung dunkler Photonen einen enormen Einfluss auf unser Verständnis der Grundlagenphysik haben würde.
„Die Entdeckung bedeutet absolut eine Revolution der Teilchenphysik und verdient einen Nobelpreis“, schloss Miyazaki. „Wenn das wirklich der Fall ist, wird es unser Verständnis des Universums völlig verändern. Viele plausible Erweiterungen des Standardmodellinsbesondere Superstringtheorie und Große einheitliche Theorieenthalten von Natur aus dunkle Photonen unbekannter Masse und unbekannter Wechselwirkung mit unserer Welt.“
Referenz: Akira Miyazaki et al. Millimeterwellen-WISP-Suche mit kohärentem Licht, das durch eine Wand scheint, zum STAX-ProjektAnnalen der Physik (2023), DOI: 10.1002/andp.202200619.
Bildnachweis des Beitrags: Luca Iaconelli auf Unsplash
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