Dunkle Materie ans Licht bringen

Polarisierte Atomkerne des Edelgases Xenon wechselwirken mit Neutronen auf eine ganz bestimmte Weise. Die Messung dieser Wechselwirkung ist vielversprechend bei der Erforschung fundamentaler physikalischer Fragen, wie die nach der Beschaffenheit der dunklen Materie.

Materie-Antimaterie Bild der Probenposition am J-NSE-Spektrometer, wo die Wechselwirkung zwischen Neutronen und Xenon getestet wurde. In der Mitte ist eine künstlerische Darstellung eines Xenon-Atoms zu sehen. © background photo by Olaf Holderer, foreground created with AI, Chat GPT

Bild der Probenposition am J-NSE-Spektrometer, wo die Wechselwirkung zwischen Neutronen und Xenon getestet wurde. In der Mitte ist eine künstlerische Darstellung eines Xenon-Atoms zu sehen. © background photo by Olaf Holderer, foreground created with AI, Chat GPT

Elementare Teilchen wie Elektronen, Protonen und Neutronen besitzen einen Eigendrehimpuls, den sogenannten Spin. Je nach Anzahl der Protonen und Neutronen kann ein Atomkern einen Spin ungleich Null besitzen. Dies ist beispielsweise bei den Isotopen des Edelgases Xenon, ¹²⁹Xe und ¹³¹Xe, dem Isotop ³He und dem Neutron der Fall. Dank dieser Eigenschaft verhalten sich diese Kerne wie kleine Magnete und können miteinander und mit externen elektromagnetischen Feldern wechselwirken. In einem Ensemble solcher Kerne heben sich ihre magnetischen Dipole normalerweise statistisch gesehen gegenseitig auf. Dies kann jedoch durch äußere Reize verändert werden – man spricht in diesem Fall von Kernpolarisation.

Neutronen durch das Edelgas schicken

Ein internationales Forscherteam unter der Leitung von Dr. Earl Babcock untersuchte die Wechselwirkung von polarisierten Neutronenstrahlen mit polarisierten ¹²⁹Xe- und ¹³¹Xe-Isotopen. Je nach gegenseitiger Spinausrichtung führt die Ausbreitung von Neutronen durch Xenon zu einer Aufspaltung des Neutronenstrahls in zwei unterschiedliche Polarisationszustände. Dies führt zur sogenannten Doppelbrechung. Unter Verwendung des J-NSE-Instruments „Phoenix“ am MLZ und mit der Kalibrierung durch ³He nutzten die Forscher die Neutronen-Spin-Echo-Technik, um erstmals spezifische Wechselwirkungsparameter mit hoher Präzision zu extrahieren.

J-NSE PhD Studentin am Spektrometer J-NSE „Phoenix“ des Forschungszentrums Jülich am MLZ. © Tobias Hase

PhD Studentin am Spektrometer J-NSE „Phoenix“ des Forschungszentrums Jülich am MLZ. © Tobias Hase

Ein Weg, um offene Fragen der Teilchenphysik zu klären

Die so erhaltenen Ergebnisse können zur weiteren Klärung verschiedener grundlegender Problemstellungen genutzt werden. So können polarisierte Xenon-Isotope bei der Messung der elektrischen Dipolmomente von Atomkernen und bei Experimenten zur Quantenverschränkung helfen. Polarisierte ¹³¹Xe-Kerne könnten bei der Suche nach neuen Quellen für die Verletzung der Zeitumkehrsymmetrie bei Neutronen-Kern-Wechselwirkungen eingesetzt werden und zur Validierung von Theorien jenseits des Standardmodells beitragen. Infolgedessen könnten sie Licht in die dunkle Materie und ihr vermutetes Elementarteilchen, das Axion, bringen.