Donnerstag, 17. April 2014

Forscher suchen Dunkle Energie im Labor


Neutronen zwischen parallelen Platten geben Aufschluss über mögliche Kräfte im Universum (Illu.). | Copyright: TU Wien

Wien (Österreich) - Nicht mit einem großen Teilchenbeschleuniger, sondern in einem Labor suchen Wiener und Grenobler Wissenschaftler nach noch unbekannten Elementarteilchen und Dunkler Energie. Die von den Forschern entwickelte Gravitations-Resonanz-Methode erweitert dabei den Gültigkeitsbereich der Newton’schen Gravitationstheorie und schränkt Parameterbereiche für hypothetische Teilchen hunderttausendfach stärker ein als bisher.

"Alle Teilchen, die wir heute kennen, machen nur fünf Prozent der Masse und Energie im Universum aus", erläutert die Pressemitteilung der TU Wien. "Der große Rest - die 'Dunkle Energie' und die 'Dunkle Materie' - bleibt bis heute mysteriös."


Zwar kann man die Dunkle Materie nicht sehen, dennoch wirkt sie durch ihre Gravitationskraft auf die bekannte Materie ein - etwa auf die Rotation von Galaxien. Die Dunkle Energie hingegen, so die bisherige Vorstellung, ist dafür verantwortlich, dass sich das Universum immer schneller ausdehnt.


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Dunkle Energie kann man mit einer zusätzlichen physikalischen Größe beschreiben, mit Albert Einsteins sogenannter Kosmologischer Konstante. Eine Alternative dazu sind sogenannte Quintessenz-Theorien: "Vielleicht ist der leere Raum gar nicht leer, sondern erfüllt von einem bisher unbekannten Feld, vergleichbar mit dem Higgs-Feld", erläutert Prof. Hartmut Abele vom Atominstitut der TU Wien.

Gemeinsam mit dem Institut Laue-Langevin (ILL) in Grenoble führen die Wiener Physiker hochsensitive Untersuchungen von Gravitations-Effekten auf winzigen Abständen durch. Damit lässt sich nun der Bereich, in dem man neue Teilchensorten oder zusätzliche Naturkräfte vermuten könnte, hunderttausend mal stärker einschränken als bisher. Über ihre Experimente haben die Forscher vorab auf "arXiv.org" berichtet.


Da sich andersartige Teilchensorten und zusätzliche Naturkräfte auch in Experimenten auf der Erde nachweisen lassen sollten, entwickelten Tobias Jenke und Hartmut Abele von der TU ein extrem sensitives Instrument, mit dem an der Neutronenquelle des ILL die Gravitationskraft vermessen werden kann. "Neutronen sind dafür optimal geeignet", erläutern die Forscher. "Sie sind elektrisch neutral und kaum polarisierbar. Auf sie kann im Experiment bloß die Gravitation wirken – und allenfalls auch neue, bisher unbekannte Zusatzkräfte."


In den Experimenten werden die Neutronen zunächst abgekühlt und zwischen zwei parallelen Platten hindurchgeschickt. Nach den Gesetzen der Quantenphysik kann sich das Neutron dabei nur in ganz bestimmten Zuständen mit ganz bestimmten Energien befinden, die von der Stärke der Kraft abhängt, die von der Gravitation auf das Teilchen ausgeübt wird. Indem man die untere Platte vibrieren lässt, kann man die Neutronen zwischen den Zuständen hin und her wechseln lassen. So lassen sich die Abstände der Energieniveaus vermessen.


"Das Experiment ist ein wichtiger Schritt zur Modellierung gravitativer Wechselwirkungen bei sehr kleinen Distanzen. Die Neutronen am ILL und die Messinstrumente aus Wien bilden zusammen das beste Werkzeug, um nach winzigen Abweichungen von der Newton‘schen Gravitationstheorie zu suchen, die von manchen Theorien vorhergesagt werden", sagt Peter Geltenbort vom ILL.


Wie leicht eine solche Abweichung aufzufinden ist, hänge von verschiedenen Parametern ab - zum Beispiel von der Stärke der Kopplung eines hypothetischen neuartigen Feldes an die bekannte Materie. Bestimmte Wertebereiche für diese Parameter gelten längst als ausgeschlossen: Gäbe es eine "Quintessenz" mit solchen Kopplungsstärken, hätte man sie bereits in anderen Präzisions-Experimenten finden müssen. Doch noch immer blieb ein großer "erlaubter" Parameterbereich, in dem sich neue physikalische Phänomene verstecken könnten.


Mit der neuen Neutronen-Methode lassen sich nun allerdings Theorien in diesem Bereich testen: "Bisher konnten wir bei unseren Messungen keine Abweichungen zum bekannten Newton’schen Gravitationsgesetz finden", sagt Hartmut Abele. "Dadurch können wir nun einen weiten Bereich von Parametern ausschließen." Die Messergebnisse legen nun ein Limit für den Kopplungsparameter fest, das hunderttausendmal unterhalb der Grenzen liegt, die sich aus anderen Messmethoden ergaben.


Auch wenn sich auf diese Weise bestimmte hypothetische Teilchen ausschließen lassen, sei es noch immer möglich, dass sich unterhalb dieser verbesserten Nachweisgrenze neuartige Physik verstecke, so die Forscher abschließend und wollen deshalb ihre Gravitations-Resonanz-Methode noch weiterentwickeln. "Wenn sich auch dann keine Hinweise auf Abweichungen von den bekannten Kräften ergeben, könnte Albert Einstein schließlich noch Recht behalten: Seine Kosmologische Konstante erscheint dann immer plausibler."


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Quelle: tuwien.ac.at
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