Die Spiegelwelt verliert an Boden

Ein Präzisionsexperiment am Paul Scherrer Institut schränkt eine der ungewöhnlichsten Hypothesen zur Dunklen Materie erheblich ein.

Die Geschichte der modernen Teilchenphysik besteht längst nicht mehr nur aus spektakulären Entdeckungen. Ebenso wichtig sind Theorien, die sich im Experiment als unhaltbar erweisen. Mit jeder ausgeschlossenen Möglichkeit wird das Bild dessen schärfer, was die Natur zulässt – und was nicht.

In diese Kategorie fällt eine jetzt in Physical Review Letters veröffentlichte Arbeit eines internationalen Forschungsteams unter Leitung des Paul Scherrer Instituts (PSI) in Villigen. Nach einer der bislang empfindlichsten Untersuchungen ultrakalter Neutronen fanden die Physiker keinen Hinweis darauf, dass diese Teilchen in sogenannte Spiegelneutronen übergehen. Damit gerät eine seit Langem diskutierte Variante der Spiegelwelt-Hypothese deutlich unter Druck.

Die Idee einer Spiegelwelt begleitet die Teilchenphysik seit Jahrzehnten. Ihr Ausgangspunkt ist ebenso einfach wie verführerisch: Neben der bekannten Materie könnte ein zweiter, nahezu unsichtbarer Teilchensektor existieren. Für jedes bekannte Elementarteilchen gäbe es ein Spiegelbild mit identischen Eigenschaften, das mit unserer Welt allenfalls über die Gravitation wechselwirkt. Ein solcher verborgener Kosmos wäre ein naheliegender Kandidat für die Dunkle Materie, deren Schwerkraft Galaxien zusammenhält, deren Natur aber bis heute unbekannt ist.

Neutronen spielen in diesen Überlegungen eine besondere Rolle. Weil sie elektrisch neutral sind, könnten sie – so sagen einige Modelle voraus – unter geeigneten Bedingungen in ihre Spiegelpartner oszillieren und wieder zurückkehren. Ein solcher Effekt wäre außerordentlich selten, ließe sich aber mit genügend präzisen Experimenten nachweisen. Zugleich schien er eine mögliche Erklärung für ein anderes Rätsel zu bieten: Seit Jahren liefern verschiedene Verfahren zur Bestimmung der Lebensdauer freier Neutronen leicht voneinander abweichende Werte.

Das Team um Bernhard Lauss und Geza Zsigmond nutzte dafür die Quelle ultrakalter Neutronen des PSI. Über mehrere Monate hinweg wurden rund 25 Milliarden Neutronen unter kontrollierten Bedingungen gespeichert und vermessen. Durch eine systematische Variation der Magnetfelder untersuchten die Forscher genau jene Bereiche, in denen sich eine Oszillation hätte bemerkbar machen müssen.

Doch der erwartete Effekt blieb aus. Innerhalb der erreichten Empfindlichkeit zeigte sich kein statistisch belastbarer Hinweis auf einen Übergang in Spiegelneutronen. Die neuen Messungen verschieben die experimentellen Grenzen deutlich und lassen einfachen Modellen dieser Art erheblich weniger Spielraum als bisher.

Das bedeutet allerdings nicht das Ende der Spiegelwelt. Wie so oft in der Grundlagenforschung widerlegt ein einzelnes Experiment keine gesamte Theorie. Modelle mit wesentlich schwächeren Kopplungen oder anderen Mechanismen bleiben denkbar. Die jetzt veröffentlichten Daten schließen jedoch einen Bereich aus, der bislang als besonders interessant galt.

Gerade solche Nullresultate prägen den Fortschritt der Teilchenphysik. Seit der Entdeckung des Higgs-Bosons haben zahlreiche Präzisionsexperimente spekulative Erweiterungen des Standardmodells überprüft – häufig ohne die erhoffte neue Physik zu finden. Doch jedes dieser Ergebnisse verengt den Raum für theoretische Möglichkeiten und zwingt Modelle zu immer präziseren Vorhersagen.

Die Suche nach der Dunklen Materie gleicht deshalb zunehmend einer Kartierung des Unbekannten. Nicht jeder Versuch führt zu einer Entdeckung. Mitunter besteht der Fortschritt gerade darin, einen weiteren Irrweg mit großer Sicherheit ausschließen zu können. Genau das ist dem Team am Paul Scherrer Institut nun gelungen.