Auf der Suche nach dem Ungleichgewicht der Welt haben Jülicher Forschende eine neue Methode zur Suche nach verborgener Physik erschlossen. Warum gibt es uns überhaupt? Zu dieser grundlegenden Frage hat eine Forschungsgruppe eine neue Spur untersucht: das elektrische Dipolmoment des Deuterons. Der Effekt bleibt unsichtbar – doch genau das setzt entscheidende Grenzen und bringt die Physik dem Verständnis unseres Universums einen Schritt näher.
Die Frage beschäftigt die Wissenschaft seit Jahrzehnten. Denn nach heutigem Verständnis hätte das Universum, wie wir es kennen, gar nicht entstehen dürfen. In den ersten Momenten nach dem Urknall herrschte nahezu Gleichgewicht zwischen Materie und Antimaterie. Treffen beide aufeinander, vernichten sie sich vollständig. Eigentlich hätte also nichts übrigbleiben dürfen – stattdessen besteht unsere Welt fast ausschließlich aus Materie, heißt es in einer Mitteilung aus dem Forschungszentrum.
„Dass heute überhaupt Materie existiert, widerspricht zunächst unseren physikalischen Erwartungen“, erklärt Jörg Pretz, stellvertretender Direktor am Jülicher Institut für Kernphysik (IKP). Es müssen daher Prozesse existieren, die in der Frühphase des Universums ein leichtes Übergewicht der Materie erzeugt haben. Einige solcher Mechanismen kennt die Physik bereits – sie reichen jedoch bei weitem nicht aus, um die beobachtete Dominanz der Materie zu erklären.
Da sich die Frühphase des Universums nicht direkt beobachten lässt, suchen Forschende nach indirekten Hinweisen in den Eigenschaften elementarer Teilchen. Eine mögliche Spur ist das elektrische Dipolmoment – eine minimale Verschiebung der positiven und negativen Ladung innerhalb eines Teilchens. „Das Standardmodell der Teilchenphysik sagt solche Effekte zwar voraus, aber in verschwindend kleinen Größenordnungen“, erklärt Volker Hejny vom IKP. „Jeder mit heutigen Methoden messbare Effekt würde deshalb auf neue Physik hinweisen.“
Die Suche nach elektrischen Dipolmomenten hat Tradition: Bereits seit den 1950er-Jahren untersuchen Forschende unter anderem Neutronen – bislang ohne Nachweis. Nun gelang der internationalen JEDI-Kollaboration (Jülich Electric Dipole moment Investigations) am Forschungszentrum Jülich ein weiterer wichtiger Schritt: Erstmals wurde nach dem elektrischen Dipolmoment des Deuterons gesucht, einem gebundenen Zustand aus Proton und Neutron. Die Forschenden nutzten dafür einen Speicherring – eine Sonderform eines Teilchenbeschleunigers.
Der Jülicher Speicherring COSY (Cooler Synchrotron) war weltweit eine der wenigen Anlagen, die spin-polarisierte Teilchenstrahlen bereitstellen konnten – eine entscheidende Voraussetzung für diese Messung. Die Ergebnisse erschienen nun in der renommierten Fachzeitschrift Physical Review Letters. Das Ergebnis: Ein elektrisches Dipolmoment konnte nicht nachgewiesen werden; der gemessene Wert ist mit Null vereinbar.
„Die möglichen Unterschiede der Ladungsschwerpunkte sind kleiner als ein Zehntausendstel des Deuteron-Durchmessers“, sagt Achim Andres, ehemaliger Doktorand von Jörg Pretz und Erstautor der Studie. „Hätte das Deuteron die Größe eines Stadions, läge die Verschiebung höchstens im Millimeterbereich.“
Auch wenn die Genauigkeit noch nicht mit anderen Experimenten konkurriert, zeigt die Studie vor allem eines: Speicherringe eignen sich hervorragend für die Suche nach elektrischen Dipolmomenten. „Für das Deuteron ist ein Speicherring die beste verfügbare Messmethode“, betont Pretz. Auf Basis dieser Erkenntnisse sind, so die Pressemitteilung, bereits neue Speicherringe in Planung, die speziell für solche Präzisionsmessungen ausgelegt werden. Sie sollen die Empfindlichkeit der Methode um viele Größenordnungen steigern und damit die Chancen erhöhen, Spuren neuer Physik sichtbar zu machen.
Denn aktuelle bleib ein Wermutstropfen: Der Speicherring COSY wurde 2023 nach mehr als 30 Jahren Betrieb stillgelegt. Die gewonnenen Erkenntnisse werden jedoch zukünftige Experimente prägen – auf der Suche nach einer Antwort auf eine der größten Fragen der Physik.
