Halos und Dunkle Materie: Ein Rezept für Entdeckungen

Vor etwa drei Jahren machten sich Wolfgang „Wolfi“ Mittig und Yassid Ayyad auf die Suche nach der fehlenden Masse des Universums, besser bekannt als dunkle Materie, im Herzen eines Atoms.

Ihre Expedition führte sie nicht zur Dunklen Materie, aber sie fanden dennoch etwas, das noch nie zuvor gesehen worden war, etwas, das sich jeder Erklärung widersetzte. Nun, zumindest eine Erklärung, auf die sich alle einigen konnten.

„Es war so etwas wie eine Detektivgeschichte“, sagte Mittig, Hannah Distinguished Professor am Department of Physics and Astronomy der Michigan State University und Fakultätsmitglied an der Facility for Rare Isotope Beams (FRIB).

„Wir begannen mit der Suche nach dunkler Materie und fanden sie nicht“, sagte er. „Stattdessen haben wir andere Dinge gefunden, deren Erklärung für die Theorie schwierig war.“

Also machte sich das Team wieder an die Arbeit, führte weitere Experimente durch und sammelte weitere Beweise, um ihre Entdeckung sinnvoll zu machen. Mittig, Ayyad und ihre Kollegen unterstützten ihren Fall am National Superconductor Cyclotron Laboratory (NSCL) an der Michigan State University.

Das Team arbeitete bei NSCL und fand einen neuen Weg zu ihrem unerwarteten Ziel, das sie am 28. Juni im Journal detailliert beschrieben Briefe zur körperlichen Überprüfung. Dabei enthüllten sie auch interessante Physik, die im ultrakleinen Quantenbereich der subatomaren Teilchen im Gange ist.

Insbesondere bestätigte das Team, dass, wenn der Kern oder Kern eines Atoms mit Neutronen überfüllt ist, es immer noch einen Weg zu einer stabileren Konfiguration finden kann, indem es stattdessen ein Proton ausspuckt.

Im Dunkeln geschossen

Dunkle Materie ist eines der berühmtesten Dinge im Universum, über das wir am wenigsten wissen. Seit Jahrzehnten wissen Wissenschaftler, dass der Kosmos mehr Masse enthält, als wir anhand der Flugbahnen von Sternen und Galaxien erkennen können.

Damit die Schwerkraft die Himmelsobjekte an ihren Bahnen festhält, musste unsichtbare Masse vorhanden sein, und zwar viel davon – sechsmal so viel wie normale Materie, die wir beobachten, messen und charakterisieren können. Obwohl Wissenschaftler davon überzeugt sind, dass dunkle Materie da draußen ist, müssen sie noch herausfinden, wo und wie sie sie direkt nachweisen können.

„Dunkle Materie zu finden ist eines der Hauptziele der Physik“, sagte Ayyad, ein Kernphysikforscher am Galician Institute of High Energy Physics, or IGFAEder Universität von Santiago de Compostela in Spanien.

Um in runden Zahlen zu sprechen, haben Wissenschaftler etwa 100 Experimente gestartet, um herauszufinden, was dunkle Materie genau ist, sagte Mittig.

„Keiner von ihnen hat nach 20, 30, 40 Jahren Forschung Erfolg gehabt“, sagte er.

„Aber es gab eine Theorie, eine sehr hypothetische Idee, dass man dunkle Materie mit einem ganz bestimmten Kerntyp beobachten könnte“, sagte Ayyad, der zuvor Physiker für Detektorsysteme am NSCL war.

Diese Theorie konzentrierte sich auf das, was sie einen dunklen Zerfall nennt. Es postulierte, dass bestimmte instabile Kerne, Kerne, die auf natürliche Weise auseinanderfallen, dunkle Materie abwerfen könnten, wenn sie zerfallen.

Also entwarfen Ayyad, Mittig und ihr Team ein Experiment, das nach einem dunklen Zerfall suchen könnte, wohl wissend, dass die Chancen gegen sie standen. Aber das Glücksspiel war nicht so groß, wie es sich anhört, denn die Untersuchung exotischer Zerfälle ermöglicht es den Forschern auch, die Regeln und Strukturen der Atom- und Quantenwelt besser zu verstehen.

Die Forscher hatten gute Chancen, etwas Neues zu entdecken. Die Frage war, was das sein würde.

Hilfe von einem Heiligenschein

Wenn Menschen sich einen Kern vorstellen, denken viele vielleicht an einen klumpigen Ball aus Protonen und Neutronen, sagte Ayyad. Aber Kerne können seltsame Formen annehmen, einschließlich sogenannter Halo-Kerne.

Beryllium-11 ist ein Beispiel für Halo-Kerne. Es ist ein Formular, bzw Isotop, des Elements Beryllium, das vier Protonen und sieben Neutronen in seinem Kern hat. Es hält 10 dieser 11 Kernteilchen in einem engen zentralen Cluster. Aber ein Neutron schwebt weit weg von diesem Kern, lose an den Rest des Kerns gebunden, ähnlich wie der Mond, der um die Erde kreist, sagte Ayyad.

Beryllium-11 ist auch instabil. Nach einer Lebensdauer von etwa 13,8 Sekunden zerfällt es durch den sogenannten Beta-Zerfall. Eines seiner Neutronen stößt ein Elektron aus und wird zu einem Proton. Dadurch verwandelt sich der Atomkern in eine stabile Form des Elements Bor mit fünf Protonen und sechs Neutronen, Bor-11.

Aber nach dieser sehr hypothetischen Theorie könnte Beryllium-11, wenn das Neutron, das zerfällt, dasjenige im Halo ist, einen ganz anderen Weg gehen: Es könnte einen Dunkelzerfall durchlaufen.

Im Jahr 2019 starteten die Forscher ein Experiment an Kanadas nationaler Teilchenbeschleunigeranlage TRIUMF, um nach diesem sehr hypothetischen Zerfall zu suchen. Und sie fanden einen Zerfall mit unerwartet hoher Wahrscheinlichkeit, aber es war kein dunkler Zerfall.

Es sah so aus, als würde das lose gebundene Neutron des Beryllium-11 ein Elektron wie beim normalen Beta-Zerfall ausstoßen, aber das Beryllium folgte nicht dem bekannten Zerfallspfad zu Bor.

Das Team stellte die Hypothese auf, dass die hohe Wahrscheinlichkeit des Zerfalls erklärt werden könnte, wenn ein Zustand in Bor-11 als Tor zu einem anderen Zerfall existierte, zu Beryllium-10 und einem Proton. Für jeden, der mitzählte, bedeutete das, dass der Kern wieder zu Beryllium geworden war. Nur hatte es jetzt sechs statt sieben Neutronen.

„Das passiert nur wegen des Halo-Kerns“, sagte Ayyad. „Es ist eine sehr exotische Art von Radioaktivität. Es war tatsächlich der erste direkte Beweis für Protonenradioaktivität aus einem neutronenreichen Kern.“

Aber die Wissenschaft begrüßt Prüfung und Skepsis, und der Bericht des Teams von 2019 wurde mit einer gesunden Dosis von beidem aufgenommen. Dieser „Eingangszustand“ in Bor-11 schien mit den meisten theoretischen Modellen nicht kompatibel zu sein. Ohne eine solide Theorie, die dem, was das Team sah, einen Sinn gab, interpretierten verschiedene Experten die Daten des Teams unterschiedlich und boten andere mögliche Schlussfolgerungen an.

„Wir hatten viele lange Gespräche“, sagte Mittig. „Es war eine gute Sache.“

So nutzbringend die Diskussionen auch waren – und weiterhin sind – Mittig und Ayyad war klar, dass sie mehr Beweise sammeln mussten, um ihre Ergebnisse und Hypothesen zu untermauern. Sie müssten neue Experimente entwerfen.

Die NSCL-Experimente

Im Experiment des Teams von 2019 erzeugte TRIUMF einen Strahl aus Beryllium-11-Kernen, den das Team in eine Detektionskammer richtete, wo die Forscher verschiedene mögliche Zerfallswege beobachteten. Dazu gehörte der Betazerfall zum Protonenemissionsprozess, der Beryllium-10 erzeugte.

Für die neuen Experimente, die im August 2021 stattfanden, war die Idee des Teams, im Wesentlichen die zeitumgekehrte Reaktion durchzuführen. Das heißt, die Forscher würden mit Beryllium-10-Kernen beginnen und ein Proton hinzufügen.

Mitarbeiter in der Schweiz schufen eine Beryllium-10-Quelle mit einer Halbwertszeit von 1,4 Millionen Jahren, die NSCL dann zur Erzeugung radioaktiver Strahlen mit neuer Rebeschleuniger-Technologie verwenden könnte. Die Technologie verdampfte und injizierte das Beryllium in einen Beschleuniger und ermöglichte den Forschern eine hochempfindliche Messung.

Als Beryllium-10 ein Proton mit der richtigen Energie absorbierte, trat der Kern in denselben angeregten Zustand ein, den die Forscher drei Jahre zuvor entdeckt zu haben glaubten. Es würde sogar das Proton wieder ausspucken, was als Signatur des Prozesses nachgewiesen werden kann.

„Die Ergebnisse der beiden Experimente sind sehr kompatibel“, sagte Ayyad.

Das war nicht die einzige gute Nachricht. Unbekannt für das Team hatte eine unabhängige Gruppe von Wissenschaftlern der Florida State University einen anderen Weg gefunden, um das Ergebnis von 2019 zu untersuchen. Ayyad nahm zufällig an einer virtuellen Konferenz teil, bei der das Team des Staates Florida seine vorläufigen Ergebnisse präsentierte, und er war ermutigt von dem, was er sah.

„Ich habe einen Screenshot des Zoom-Meetings gemacht und ihn sofort an Wolfi geschickt“, sagte er. „Dann haben wir uns an das Team des Staates Florida gewandt und einen Weg gefunden, uns gegenseitig zu unterstützen.“

Die beiden Teams standen in Kontakt, als sie ihre Berichte erstellten, und beide wissenschaftlichen Veröffentlichungen erscheinen nun in derselben Ausgabe von Briefe zur körperlichen Überprüfung. Und die neuen Ergebnisse sorgen bereits für Aufsehen in der Community.

„Die Arbeit bekommt viel Aufmerksamkeit. Wolfi wird Spanien in ein paar Wochen besuchen, um darüber zu sprechen“, sagte Ayyad.

Ein offener Fall zu offenen Quantensystemen

Ein Teil der Aufregung liegt darin begründet, dass die Arbeit des Teams eine neue Fallstudie für sogenannte offene Quantensysteme liefern könnte. Es ist ein einschüchternder Name, aber das Konzept kann man sich wie das alte Sprichwort vorstellen: „Nichts existiert in einem Vakuum“.

Die Quantenphysik hat einen Rahmen geschaffen, um die unglaublich winzigen Bestandteile der Natur zu verstehen: Atome, Moleküle und vieles mehr. Dieses Verständnis hat praktisch alle Bereiche der Naturwissenschaften vorangebracht, einschließlich der Energie-, Chemie- und Materialwissenschaften.

Ein Großteil dieses Frameworks wurde jedoch unter Berücksichtigung vereinfachter Szenarien entwickelt. Das superkleine interessierende System wäre in gewisser Weise von dem Meer von Eingaben isoliert, die von der Welt um es herum bereitgestellt werden. Bei der Untersuchung offener Quantensysteme wagen sich Physiker weg von idealisierten Szenarien und hinein in die Komplexität der Realität.

Offene Quantensysteme sind buchstäblich überall, aber eines zu finden, das handhabbar genug ist, um etwas zu lernen, ist eine Herausforderung, insbesondere in Bezug auf den Kern. Mittig und Ayyad sahen Potenzial in ihren lose gebundenen Kernen und sie wussten, dass NSCL und jetzt FRIB helfen könnten, es zu entwickeln.

NSCL, eine Benutzereinrichtung der National Science Foundation, die der wissenschaftlichen Gemeinschaft jahrzehntelang diente, war Gastgeber der Arbeit von Mittig und Ayyad, die die erste veröffentlichte Demonstration der eigenständigen Rebeschleunigertechnologie ist. FRIB, eine Nutzereinrichtung des Office of Science des US-Energieministeriums, die am 2. Mai 2022 offiziell eröffnet wurde, ist der Ort, an dem die Arbeit in Zukunft fortgesetzt werden kann.

„Offene Quantensysteme sind ein allgemeines Phänomen, aber sie sind eine neue Idee in der Kernphysik“, sagte Ayyad. „Und die meisten Theoretiker, die die Arbeit machen, sind bei FRIB.“

Aber diese Detektivgeschichte steckt noch in den Anfängen. Um den Fall abzuschließen, brauchen die Forscher noch mehr Daten, mehr Beweise, um das, was sie sehen, vollständig zu verstehen. Das bedeutet, dass Ayyad und Mittig immer noch das tun, was sie am besten können, und ermitteln.

„Wir gehen voran und machen neue Experimente“, sagte Mittig. „Das Thema bei all dem ist, dass es wichtig ist, gute Experimente mit starken Analysen zu haben.“