Neue Physik: Spurensuche beim Deuteron

Das Standardmodell der Teilchenphysik beschreibt viele Phänomene des Kosmos und der Physik verblüffend gut – und wird durch Experimente und Messungen immer wieder bestätigt. Andererseits jedoch klaffen in diesem Modell gewaltige Lücken. So kann es beispielsweise nicht erklären, woraus die Dunkle Materie besteht, wie die Gravitation ins Teilchenschema passt oder warum im heutigen Universum Materie über Antimaterie dominiert – obwohl beim Urknall gleich viel von beiden entstanden sein muss.

Dipolmoment als Anzeiger für neue Physik?

Das könnte bedeuten, dass im Universum noch unerkannte Kräfte oder Teilchen existieren, die diese Lücken schließen. Tatsächlich haben Experimente erste Hinweise darauf im Verhalten einiger Elementarteilchen ergeben. Die Daten und beobachteten Effekte reichen aber nicht aus, um beispielsweise die Dominanz der Materie im Kosmos zu erklären. Neue Hinweise auf noch unerkannte Effekte erhoffen sich Physiker daher vom elektrischen Dipolmoment (EDM) – einer minimalen Asymmetrie der Elementarladung innerhalb eines Teilchens.

„Die vom Standardmodell vorhergesagten elektrischen Dipolmomente von Elementarteilchen sind so winzig, dass sie für aktuelle Experimente nicht nachweisbar sind“, erklären Achim Andres vom Forschungszentrum Jülich und seine Kollegen. „Jeder mit heutigen Methoden messbare Effekt würde deshalb auf neue Physik hinweisen.“ Für das Elektron und seinen schwereren „Bruder“, das Myon, haben Physiker das elektrische Dipolmoment schon mehrfach vermessen – und tatsächlich keine Abweichung feststellen können.

Deuteronen im Speicherring

Doch bei aus Quarks zusammengesetzten Hadronen wie beispielsweise Protonen und Neutronen stecken solche Messungen noch in den Anfängen. An diesem Punkt setzt das aktuelle Experiment von Andres und seinen Kollegen an. Sie haben erstmals versucht, das elektrische Dipolmoment des Deuterons zu ermitteln – eines Atomkerns aus einem Proton und einem Neutron. Wegen seiner einfachen Struktur lassen sich viele grundlegende physikalische Parameter und Theorien am Deuteron besonders gut überprüfen.

Für ihr Experiment nutzten die Physiker den Speicherring COSY am Forschungszentrum Jülich. Diese Anlage gehörte zu den wenigen weltweit, die spin-polarisierte Teilchen beschleunigen und untersuchen konnte. Für die Messung speiste das Team Deuteronen mit einheitlicher Spinrichtung in den Speicherring ein und ermittelte dann, wie die Spins der auf 970 Megaelektronenvolt beschleunigten Teilchen auf externe Magnetfelder reagierten. Der Grund: Das elektrische Dipolmoment erzeugt eine Präzession des Teilchenspins, die sich messen lässt.

Unter der Nachweisgrenze – vorerst

Die Messungen ergaben: Die Abweichungen von einer perfekt symmetrischen Ladungsverteilung im Deuteron sind geringer als 2,5 x 10^-17 e cm. „Die möglichen Unterschiede der Ladungsschwerpunkte sind damit kleiner als ein Zehntausendstel des Deuteron-Durchmessers“, berichtet Andres. „Hätte das Deuteron die Größe eines Stadions, läge die Verschiebung höchstens im Millimeterbereich.“ Damit liegt das elektrische Dipolmoment eines solchen Atomkerns aus Proton und Neutron unter der aktuellen Nachweisgrenze. Der gemessene Wert ist mit Null vereinbar.

Allerdings räumen die Physiker auch ein, dass die Genauigkeit dieser Deuteron-Messung bisher geringer ist als die von Dipolmessungen beim Elektron oder Myon. Dennoch zeige das Experiment, dass Speicherringe wie das inzwischen stillgelegte COSY gut geeignet sind. „Für das Deuteron ist ein Speicherring die beste verfügbare Messmethode“, sagt Andres‘ Kollege Pretz. Neue, speziell für solche Präzisionsmessungen ausgelegte Speicherringe sind bereits in Planung. Sie sollen die Messauflösung um mehrere Größenordnungen verbessern– und damit die Chancen erhöhen, Spuren neuer Physik sichtbar zu machen.

Quelle: Achim Andres (Forschungszentrum Jülich) et al., Physical Review Letters, 2026; doi: 10.1103/ns3s-ld4k