Dunkle Energie: Keine Symmetronen?

Doch kein Kandidat für Dunkle Energie: „Symmetronen-Felder“ sind eine Hypothese, die die rätselhafte Dunkle Energie erklären könnten. Doch nun hat ein Experiment den Raum für diesen „kleinen Bruder“ des Higgs-Felds stark eingeengt. Die Existenz von Symmetronen als Gegenspielern der Gravitation wird damit nun deutlich unwahrscheinlicher, wie die Forscher im Fachmagazin „Nature Physics“ berichten. Das Rätsel um die Dunkle Energie geht damit vorerst weiter.

Sie ist eines der großen Rätsel unseres Universums: die Dunkle Energie. Diese unsichtbare und bisher nicht greifbare Kraft wirkt der Schwerkraft entgegen und führt zu einer beschleunigten Ausdehnung des Kosmos – so jedenfalls die gängige Theorie. Doch ob es die Dunkle Energie tatsächlich gibt und welche Natur sie hat, ist bisher rätselhaft.

Ist die Dunkle Energie ein Skalarfeld?

Als eine mögliche Erklärung für die Dunkle Energie gilt ein bisher unbekanntes Skalarfeld. Ein solches Feld müsste den gesamten Raum durchziehen und mit Materie wechselwirken – ähnlich wie das Higgs-Feld. Doch statt allem eine Masse zu verleihen, müsste dieses „Dunkle Energie-Feld“ eine gegenseitige Abstoßung von Massen bewirken und damit als Gegenspieler der Gravitation agieren.

„Doch wenn es solche Skalarfelder gibt, dann müssen sie eine versteckte Form haben – sonst hätte man sie längst in vergangenen Experimenten und Beobachtungen entdeckt“, erklären Günther Cronenberg von der Technischen Universität Wien und seine Kollegen. Einen dieser „Tarnmechanismen“, den Chamäleon-Effekt, haben Physiker in Experimenten bereits weitgehend ausgeschlossen.

Versuchsaufbau mit einem Spiegel, über dem extrem langsame Neutronen vermessen werden. © TU Wien

Symmetronen als Kandidat

Jetzt haben Cronenberg und sein Team eine weiteren mögliche Variante eines Skalarfelds der Dunklen Energie untersucht – das Symmetronen-Feld. „Bei diesem schwächt sich die Kopplung des Felds zur Materie in Regionen höherer Massendichten ab“, erklären die Forscher. Doch wie dieses Feld aussehen könnte und welche Eigenschaften die dazugehörigen Teilchen, die Symmetronen, hätten, ist unbekannt.

„Niemand kann sagen, welche Masse die Symmetronen hätten und wie stark sie mit gewöhnlicher Materie wechselwirken würden“, erklärt Seniorautor Hartmut Abele von der TU Wien. „Deshalb ist es auch schwierig, sie im Experiment nachzuweisen – oder definitiv zu beweisen, dass es sie nicht gibt.“ Eine Chance könnten jedoch die sensiblen Quantenzustände von ultrakalten Neutronen und ihre Reaktion auf kleinste Kräfte bieten.

Kalte Neutronen im Spiegelflug

Für ihr Experiment ließen die Forscher Neutronen sowohl im Grundzustand als auch in angeregten Zuständen zwischen einer polierten und einer rauen Spiegeloberfläche hindurchfliegen. Dann passierten die Teilchen eine Strecke mit nur einem polierten, oszillierenden Spiegel unter sich. „In diesem Aufbau würde die Existenz von Symmetronen ein Potential zusätzlich zur Gravitation erzeugen, das abhängig vom Abstand zum Spiegel und der Masse der Neutronen ist“, erklären die Forscher.

Durch diesen subtilen Einfluss müssten sich die Übergangsfrequenzen von einem zum anderen Quantenzustand der Neutronen verschieben – und dies unterschiedlich bei den Neutronen nah am Spiegel und weiter davon entfernt. Die Neutronen werden damit zu winzigen Kräftemessern, die immerhin so genau sind, dass sie noch Energiedifferenzen von zwei Billiardstel Elektronenvolt registrieren – eine fast unvorstellbar kleine Energiemenge.

Abstandssensoren messen, ob eine unbekannte Kraft auf die Neutronen wirkt. © TU Wien

Keine Spur von Symmetronen

Das Ergebnis: Im Neutronen-Experiment konnte die Physiker keine Hinweise auf die Existenz von Symmetronen und das zugehörende Feld feststellen. Damit ist auch der Raum stark eingegrenzt, in dem sich diese exotischen Felder noch verbergen könnten. „Wir konnten einen großen Parameterbereich ausschließen – Symmetronen mit Eigenschaften in diesem Bereich gibt es definitiv nicht, sonst hätten wir sie gefunden“, sagt Abele.

Noch ist damit die Theorie der Symmetronen nicht vollständig widerlegt. Aber sie werden als mögliche Erklärung für die Dunkle Energie deutlich unwahrscheinlicher. Um auch die verbleibenden Schlupflöcher definitiv zu schließen, werden nun weitere, bessere Messungen gebraucht – oder eine Entdeckung, die das Rätsel der Dunklen Energie auf andere Weise löst. (Nature Physics, 2018; doi: 10.1038/s41567-018-0205-x)

(Technische Universität Wien, 25.07.2018 – NPO)