Schon seit Jahrzehnten gibt es die Vermutung in der Physik, es könnte eine Spiegelwelt existieren, die mit unserer Realität nur in äusserst schwachem Kontakt steht. Die Teilchen dieser Spiegelwelt gelten auch als Kandidaten für die Dunkle Materie. Forschende des Paul Scherrer Instituts PSI haben nun rund 25 Milliarden Neutronen vermessen – und so deren Abtauchen in die Spiegelwelt mit sehr hoher Wahrscheinlichkeit ausgeschlossen.

Es klingt wie eine Idee aus der Science-Fiction, doch sie stammt von renommierten Forschenden aus der theoretischen Physik: Neben unserer gewöhnlichen Realität könnte es eine sogenannte Spiegelwelt geben, wobei jede Art Elementarteilchen eine entsprechende Art Spiegelteilchen besässe. Dann gäbe es also Spiegelelektronen genauso wie Spiegelprotonen oder Spiegelneutronen. Laut dieser Theorie sind allerdings kaum Wechselwirkungen zwischen normalen und Spiegelteilchen zu erwarten. «Im Wesentlichen spüren sich beide Teilchensorten gegenseitig über die Gravitationskraft», sagt Geza Zsigmond, Wissenschaftler am Zentrum für Neutronen- und Myonenforschung des PSI.

Trotz jahrzehntelanger Suche konnten diese mysteriösen Spiegelteilchen nie nachgewiesen werden. Zwar haben Ergebnisse bei jüngeren Experimenten am Institut Laue-Langevin in Frankreich die Spekulationen zu Spiegelneutronen wieder aufflammen lassen; doch nun konnten PSI-Forschende mit einem neuen Experiment, das weltweit unübertroffene Präzision erzielt hat, grössere Klarheit schaffen: Mit sehr hoher Wahrscheinlichkeit kann man die Verwandlung von Neutronen in ihre Spiegelversion ausschliessen.

Gerade weil Spiegelteilchen fast keine Wechselwirkung mit normaler Materie eingehen, ist die Suche nach ihnen sehr schwierig. Sie treten nur auf zwei Weisen mit unserer bekannten Materie in Kontakt: entweder über die Schwerkraft oder über seltene Oszillationen neutraler Teilchen. Deshalb gelten Spiegelteilchen auch als Kandidaten für die sogenannte Dunkle Materie im Universum. Denn diese macht zwar wesentlich mehr Masse im Weltall aus als unsere gewöhnliche Materie, aber ihre Natur ist völlig unverstanden. Gerade weil Spiegelteilchen so schwach mit unserer Welt wechselwirken, könnten sie für die Dunkle Materie verantwortlich sein.

Die Suche nach seltenen Oszillationen

«Es gibt keine Chance, die Existenz von Spiegelteilchen rein über die Schwerkraft nachzuweisen», sagt Bernhard Lauss, der am Zentrum für Neutronen- und Myonenforschung des PSI die Forschungsgruppe zu ultrakalter Neutronenphysik leitet. «Wir haben uns deshalb auf die andere Eigenschaft von Spiegelteilchen konzentriert, nämlich dass neutrale Teilchen gemäss dieser Hypothese zwischen unserer normalen Materie und der Spiegelwelt hin und her oszillieren könnten.» Ein neutrales Teilchen wie das Neutron könnte also – sehr selten – einfach von unserer Weltbühne verschwinden und sich in ein Spiegelteilchen verwandeln. Nach einiger Zeit könnte es dann wie aus dem Nichts wieder auftauchen.

«Neutronen bieten sich für diese Untersuchung an, weil sie erstens elektrisch neutral sind und weil sie zweitens eine seltsame Eigenschaft besitzen», ergänzt Zsigmond. «So scheinen Neutronen unterschiedliche Lebensdauern zu besitzen, je nachdem auf welche Weise man diese misst.» Ein Teil dieser Diskrepanz könnte daran liegen, dass manche Neutronen während der Messung in die Spiegelwelt «abtauchen».

Um diesem eigenartigen Verhalten auf die Schliche zu kommen, haben die PSI-Forschenden gemeinsam mit Forschenden von der ETH Zürich und der Jagiellonen-Universität in Krakau ein ausgeklügeltes Experiment ersonnen. Sie haben Neutronen, die mit dem hochintensiven Protonenbeschleuniger am PSI in grosser Menge produziert werden, stark abgebremst und auf diese Weise sogenannte ultrakalte Neutronen erzeugt. Diese haben sie dann in einem speziellen, unmagnetischen Vakuum-Edelstahlbehälter gefangen. Dazu waren erstens sehr viele ultrakalte Neutronen nötig – die PSI-Quelle ist Weltspitze in deren Produktion – und zweitens mussten die Magnetfeldspulen, die den Behälter umgeben, mit höchster Präzision kontrolliert werden. Denn die Wahrscheinlichkeit, dass Neutronen in die Spiegelwelt und wieder zurück in unsere Welt wechseln, hängt sehr empfindlich von den anliegenden Magnetfeldern ab.

Kein Hinweis auf Spiegelwelt – trotz weltbester Ergebnisse

Das Team hat deshalb alle 5 Minuten rund 1,5 Millionen Neutronen in einem grossen Edelstahltank gespeichert. Nach jeweils rund 200 Sekunden wurde er entleert und die Forschenden ermittelten, wie viele Neutronen noch erhalten waren. Dies wurde über mehrere Monate hinweg wiederholt, sodass insgesamt rund 25 Milliarden Neutronen vermessen wurden.

«Dabei haben wir das Magnetfeld und seine Richtung im Lauf der Zeit schrittweise verändert, um alle relevanten Bereiche durchzuscannen, bei denen Oszillationen zwischen Neutronen und Spiegelneutronen zu erwarten gewesen wären », so Lauss. «Aber wir haben überhaupt keinen Hinweis auf solche Oszillationen gesehen.» Mit diesen Ergebnissen lassen sich alle bisherigen Spekulationen zur Verwandlung in Spiegelteilchen mit sehr hoher Wahrscheinlichkeit ausschliessen.

Das PSI-Experiment ist das weltweit beste dieser Art und setzt für absehbare Zeit den Massstab. Weitere substanzielle Verbesserungen wären sehr aufwendig. «Wir sind auch stolz, dass viele junge Leute bei diesem Experiment mitwirken konnten», betont Lauss. So entstanden im Rahmen der Untersuchungen zwei Promotionsarbeiten gemeinsam mit der ETH Zürich; darüber hinaus waren viele Studierende am Experiment beteiligt.

Auch wenn kein Hinweis auf eine spektakuläre Spiegelwelt gefunden wurde, ist das Ergebnis dieser Studie wichtig für die Teilchenphysik. «Indem wir den Spielraum für bestimmte Spekulationen einschränken, zeigen wir den Forschenden in der theoretischen Physik auf, dass sie neue Wege gehen müssen», schliesst Zsigmond. «Nur durch solche Impulse kann die Physik sich weiterentwickeln.»

Text: Dirk Eidemüller