Laboratory constraints on peV-scale mass splitting between ordinary and sterile neutron states

Stellen Sie sich vor, das Universum wäre eine riesige, geschäftige Stadt, in der alles, was wir sehen und berühren können – Sterne, Planeten, Sie, ich – aus „gewöhnlicher“ Materie besteht. Aber was wäre, wenn es direkt nebenan eine geheime, parallele Nachbarschaft gäbe, unsichtbar für unsere Augen und Ohren, die mit „Spiegel“-Kopien von allem gefüllt ist? Diese Idee, genannt „Spiegelsektor“, ist ein Lieblingsexperiment der Physiker seit den 1950er Jahren. Es ist nicht nur ein Science-Fiction-Tagtraum; es ist eine ernsthafte Hypothese, die eines der größten Rätsel des Kosmos erklären könnte: die Dunkle Materie. Wenn diese Spiegelteilchen existieren, könnten sie das unsichtbare Gerüst sein, das Galaxien zusammenhält.

Der faszinierendste Teil dieser Geschichte ist die Möglichkeit, dass gewöhnliche Materie und Spiegelmaterie heimlich die Plätze tauschen können. Denken Sie an einen magischen Teleportations-Trick. Ein ganz normales Neutron (ein winziges Teilchen innerhalb eines Atoms) könnte plötzlich aus unserer Welt verschwinden und als „Spiegelneutron“ in der geheimen Nachbarschaft wieder auftauchen. Wenn dies geschieht, würden unsere regulären Neutronen verschwinden, und die Spiegelneutronen würden unseren Behältern entkommen, weil sie nicht gegen unsere Wände stoßen. Wissenschaftler suchen schon seit Jahrzehnten nach diesem „Verschwindetrick“. Die große Frage ist: Wie schnell geschieht dieser Austausch, und geschieht er nur, wenn die beiden Arten von Neutronen exakt das gleiche Gewicht haben, oder können sie auch tauschen, wenn eines der beiden etwas schwerer ist als das andere?

Der große Neutronen-Verschwindetrick: Eine neue Suche

In diesem neuesten Kapitel der Jagd beschlossen ein Team von Wissenschaftlern am Paul Scherrer Institut (PSI) in der Schweiz und ihre Partner, Detektivarbeit mit Neutronen zu betreiben. Sie gingen vor, um ein spezifisches Szenario zu testen: Was wäre, wenn das gewöhnliche Neutron und sein Spiegelzwilling nicht exakt identisch in der Masse sind? Vielleicht ist das Spiegelneutron nur ein winziges Stück schwerer oder leichter. Wenn sie nicht exakt das gleiche Gewicht haben, wird der „Teleportations-Trick“ viel schwieriger durchzuführen, so wie der Versuch, ein Radio auf einen Sender abzustimmen, der leicht daneben liegt.

Um diesen schwer fassbaren Austausch zu entdecken, nutzten die Forscher einen klugen Trick unter Verwendung von Magneten. Sie wuserten, dass sie, wenn sie das Magnetfeld genau richtig einstellen könnten, die Energieniveaus der beiden Neutronen aufeinander abstimmen könnten, selbst wenn ihre Massen unterschiedlich sind. Es ist wie das Stimmen einer Gitarrensaite; wenn man sie gerade genug festzieht, trifft sie den richtigen Ton, um mit einer anderen Saite zu resonieren. Sie bauten ein spezielles Lagergefäß – einen hochtechnologischen „Neutronenkäfig“ – und füllten ihn mit ultrakalten Neutronen. Dann drehten sie langsam am Magnetfeld-Regler und tasteten einen Bereich von 5 µT bis 360 µT ab, auf der Suche nach dem exakten Moment, in dem die Neutronen beginnen würden, in die Spiegelwelt zu verschwinden.

Das Experiment war unglaublich empfindlich. Sie beobachteten die Neutronen eine Zeit lang, zählten, wie viele übrig waren, und verglichen die Zahlen, wenn das Magnetfeld auf unterschiedliche Werte eingestellt war. Wenn die Neutronen in die Spiegelform wechselten, erwartete das Team einen Rückgang in der Zählung – eine „fehlende“ Gruppe von Neutronen, die in die Welt entglitten war. Sie führten tausende von Zyklen durch und suchten nach seltsamen Mustern oder plötzlichen Abfällen in den Zahlen, die laut „Wir haben es gefunden!“ schreien würden.

Das Urteil: Immer noch verborgen

Nachdem sie die Zahlen ausgewertet und detaillierte Computersimulationen durchgeführt hatten, um jedes kleinste Detail des Experiments zu berücksichtigen, war das Ergebnis für diejenigen, die auf eine Entdeckung hofften, etwas enttäuschend, aber ein großer Sieg für die wissenschaftliche Strenge. Das Team fand keine Beweise dafür, dass Neutronen verschwanden. Die Zählungen blieben stabil, unabhängig davon, wie sie das Magnetfeld abstimmten.

Dies bedeutet, dass sie eine sehr strikte „Geschwindigkeitsbegrenzung“ dafür festlegen konnten, wie schnell dieser Austausch überhaupt stattfinden kann. Sie berechneten, dass, falls dieser Spiegelneutronen-Austausch überhaupt stattfindet, ein Neutron mindestens 20 Sekunden benötigt, um den Sprung zu machen, jedoch nur innerhalb eines spezifischen Bereichs von Massendifferenzen zwischen 0,3 und 22 peV (das ist eine winzige, winzige Menge an Masse, etwa 3 × 10⁻¹³ bis 1 × 10⁻¹¹ eV).

Warum ist das wichtig? Vor diesem Experiment war das Einzige, was uns sagte, dass dieser Austausch nicht zu schnell gehen konnte, eine Vermutung, die auf der Abkühlung von Neutronensternen im Weltraum basierte. Diese „astrophysikalische Vermutung“ legte nahe, dass die Austauschzeit etwa länger als 10 Sekunden sein müsse. Aber Vermutungen sind tückisch; sie hängen von Modellen darüber ab, wie Sterne funktionieren. Dieses neue Laborexperiment ist das erste Mal, dass jemand dies in einer kontrollierten Umgebung tatsächlich gemessen und ein Limit gefunden hat, das strenger ist als die Vermutung auf Basis von Sternen. In einigen Teilen des Massendifferenzbereichs bewiesen die Wissenschaftler, dass die Austauschzeit länger als 20 Sekunden sein muss, was die Vorstellung, dass der Austausch in diesen spezifischen Bedingungen so schnell wie 10 Sekunden erfolgt, effektiv ausschließt.

Obwohl die Spiegelneutronen dieses Mal also nicht aufgetaucht sind, haben die Wissenschaftler erfolgreich die Tür zu einer breiten Palette von Möglichkeiten geschlossen. Sie haben bewiesen, dass, falls diese Spiegelzwillinge existieren und sich im Gewicht leicht unterscheiden, sie viel scheuer und langsamer beim Wechseln sind, als wir zuvor dachten. Die Suche geht weiter, aber nun wissen wir genau, wo wir nicht suchen müssen.