Präzisionsexperimente für die Suche nach einer 5. Kraft

Das Standardmodell der Teilchenphysik gilt derzeit als das umfassendste Modell zur Beschreibung des Universums. Es erklärt äußerst genau die grundlegenden Bausteine der Materie, aus der sowohl unsere Umgebung als auch wir selbst bestehen, sowie die fundamentalen Kräfte, die zwischen diesen Teilchen wirken. Doch trotz seiner Genauigkeit kann das Modell nicht alle Phänomene im Universum erklären. So zeigen beispielsweise astronomische Beobachtungen, dass die sichtbare Materie nicht ausreicht, um die Rotationen der Galaxien vollständig zu erklären. Es muss eine bislang unbekannte Form der Materie geben – die sogenannte dunkle Materie –, die einen erheblichen Teil der Gesamtmasse des Universums ausmacht.

Zu den vorgeschlagenen Ergänzungen des Standardmodells gehört eine hypothetische fünfte Kraft, die zwischen den Elementarteilchen Elektronen und Neutronen wirkt. Da sie bisher nicht nachgewiesen werden konnte, muss diese fünfte Kraft extrem gering sein. Mit immer genaueren Messungen versuchen Forschende sie aufzuspüren. Nun hat eine internationale Zusammenarbeit von Forschergruppen aus Deutschland, der Schweiz und Australien neue Obergrenzen für ihre Stärke festgelegt. Sie führten dazu hochpräzise Messungen an Kalzium-Isotopen durch, die sie in einer Ionenfalle gefangen halten.

An der Kooperation waren gleich mehrere Experimental- und Theoriegruppen von QuantumFrontiers und DQ-mat beteiligt. Das Team von Piet Schmidt führte unter der Leitung von Alexander Wilzewski die Isotopenverschiebungsspektroskopie für Ca¹⁴⁺ durch. Das Team um Andrey Surzhykov führte atomare und nukleare Strukturberechnungen für die beteiligten Systeme durch und Elina Fuchs und ihr Team leiteten die Grenzen der fünften Kraft ab.

Die gemeinsame Veröffentlichung in der aktuellen Ausgabe von Physical Review Letters ist ein besonders gutes Beispiel für die hervorragende Zusammenarbeit der Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler von QuantumFrontiers zwischen verschiedenen Arbeitsgruppen des Exzellenzclusters sowie weiteren Partnern im internationalen Netzwerk.

Physics-Highlight: Searching for a New Force

Originalpublikation
Wilzewski A, Huber L, Door M, Richter J, Mariotti A et al.
Nonlinear Calcium King Plot Constrains New Bosons and Nuclear Properties.
Physical Review Letters, 134, 233002.
DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.233002