Jagd nach neuen Kräften mit Präzisionsexperimenten

Tief im Inneren der Atome suchen Wissenschaftler nach Hinweisen auf einige der größten Geheimnisse des Universums. Jüngste Studien zeigen, dass äußerst präzise Messungen atomarer Eigenschaften als leistungsstarke Mikroskope für neue Physik dienen können und möglicherweise Teilchen und Kräfte aufspüren, die bisher noch nie beobachtet wurden.

Forschende des Max-Planck-Instituts für Kernphysik und der Universität Heidelberg untersuchen, wie sich mit Experimenten an Atomen Ideen jenseits des Standardmodells der Teilchenphysik überprüfen lassen. Diese Theorie beschreibt zwar bekannte Teilchen und Kräfte erfolgreich, kann jedoch Phänomene wie die Dunkle Materie nicht erklären. Viele Theorien schlagen daher neue, leichte Teilchen vor, die eine zusätzliche Wechselwirkung vermitteln könnten, manchmal als „fünfte Kraft“ bezeichnet.

Auf der Suche nach unsichtbaren Teilchen

Im Teilchenzoo sind Bosonen die „Boten“, die der Materie mitteilen, wie sie sich zu verhalten hat. Man kann sie sich als verschiedene Arten von Signalen oder Wellen vorstellen, die sich über die Felder ausbreiten, die unser Universum ausfüllen. Es gibt sie in drei Formen:

(i) Skalarbosonen: Stellen Sie sich ein Feld vor, das vollkommen gleichmäßig ist, wie die Temperatur in einem Raum oder der Luftdruck. Ein Skalarboson ist eine Welle in einem solchen Feld. Es sieht aus jeder Blickrichtung genau gleich aus – ähnlich wie eine vollkommen glatte Billardkugel –  und repräsentiert dabei einen einfachen Wert im Raum ohne eine inhärente „Ausrichtung“.

(ii) Pseudoskalarbosonen: Diese sind die Spiegelbilder der Skalare. Wie ihre Verwandten haben sie keine Richtung, besitzen jedoch eine einzigartige „räumliche Umkehrung“. Würde man ein solches Pseudoskalarboson im Spiegel betrachten, würden sich seine mathematischen Eigenschaften umkehren oder ihr Vorzeichen wechseln. Es ist die subatomare Version eines linkshändigen Handschuhs, der im Spiegelbild wie ein rechtshändiger Handschuh erscheint.

(iii) Vektorbosonen: Diese sind die Kraftpakete unter den Teilchen. Sie besitzen einen eigenen Drehimpuls, einen sogenannten Spin, der ihnen eine Ausrichtung verleiht – man kann sie sich wie winzige Pfeile vorstellen, die durch den Raum zeigen. Da sie eine „Richtung“ haben, sind sie die perfekten Boten, um Kräfte zwischen Teilchen zu übertragen. Ein Beispiel für ein Vektorboson ist das Photon, das Licht und Elektromagnetismus überträgt. Sie existieren nicht nur an einem Punkt; sie „drücken“ oder „ziehen“ aktiv in eine bestimmte Richtung.

Zu den neuen Bosonen, die zur Erweiterung des Standardmodells vorgeschlagen wurden, gehören axionähnliche Teilchen und neue Arten von Vektorbosonen. Sollten solche Teilchen existieren, könnten sie die Art und Weise, wie Elektronen mit den Atomkernen wechselwirken, auf subtile Weise verändern. Zwar wären diese Kräfte extrem schwach, könnten jedoch bei präzisen atomaren Messungen nachweisbare Spuren hinterlassen. Zwei besonders empfindliche Größen sind: (i) die Hyperfeinaufspaltung, ein winziger Unterschied in den atomaren Energieniveaus, der durch magnetische Wechselwirkungen zwischen dem Kern und seinen Elektronen verursacht wird, und (ii) der g-Faktor des Elektrons, der beschreibt, wie stark ein Elektron auf ein Magnetfeld reagiert.

Der magnetische Fingerabdruck des Elektrons

Ein Elektron verhält sich aufgrund seines Eigen-Drehimpulses, auch Spin genannt, wie ein winziger Stabmagnet. Die Stärke dieses magnetischen Verhaltens wird durch den g-Faktor beschrieben, der den Spin und das magnetische Moment des Elektrons miteinander verknüpft. Quanteneffekte verändern diesen Wert geringfügig, und theoretische Physiker können ihn berechnen, während Experimentalphysiker ihn mit außerordentlicher Präzision messen können. Würde ein neues Teilchen mit Elektronen oder mit dem Kern in Wechselwirkung treten, könnte es den gemessenen Wert geringfügig verändern. Ein leistungsfähiges Testfeld bilden wasserstoffähnliche Ionen, also Atome, die auf ein einziges Elektron reduziert wurden. In diesen Systemen ist das Elektron sehr starken elektrischen Feldern des Kerns ausgesetzt, was geringfügige physikalische Effekte verstärkt.

Umgehung unbekannter Kerneigenschaften

Das Aufspüren neuer Physik in Atomen ist eine Herausforderung, da Atomkerne komplex sind. Ihre innere Struktur erzeugt zusätzliche Effekte, die mögliche Signale neuer Teilchen überdecken können. Um dieses Problem zu lösen, vergleichen die Forschenden sorgfältig ausgewählte atomare Systeme, sodass unerwünschte nukleare Beiträge sich gegenseitig aufheben. Eine Methode vergleicht wasserstoffähnliche Ionen (mit einem Elektron) und lithiumähnliche Ionen (mit drei Elektronen) [1]. „Durch die Bildung einer gewichteten Differenz zwischen ihren Hyperfeinaufspaltungen verschwinden die meisten nuklearen Unsicherheiten, sodass ein Signal übrig bleibt, das viel empfindlicher auf neue Kräfte reagiert“, erklärt der Doktorand Cedric Quint. Messungen an Beryllium-Ionen haben bereits strenge Grenzen gesetzt, während zukünftige Experimente mit schwereren Ionen wie Cäsium die Empfindlichkeit gegenüber axionähnlichen Teilchen und neuen Vektorbosonen weiter erhöhen könnten.

Eine zweite Strategie konzentriert sich auf den g-Faktor des Elektrons. Anstatt elektronische Zustände zu vergleichen, betrachten die Forscher Ionen mit unterschiedlicher Anzahl an Protonen und Neutronen. Dieser als „Nuklidverschiebung“ bezeichnete Ansatz hebt bestimmte Wechselwirkungen auf und isoliert den Einfluss potenzieller neuer Kräfte zwischen Elektronen und Protonen. Anhand vorhandener experimenteller Daten und theoretischer Berechnungen ermittelten die Forschenden, wie stark hypothetische Teilchen mit Materie interagieren könnten. Die Ergebnisse verschärfen die bisherigen Grenzen erheblich. „In einigen Fällen verbessern die neuen Techniken die Einschränkungen für mögliche Elektron-Proton-Wechselwirkungen um bis zu drei Größenordnungen“, so Matteo Moretti, Erstautor des anderen Artikels [2]; beide aus der Abteilung Keitel.

Eine neue Rolle für die Atomphysik

Diese Studien zeigen, dass modernste atomphysikalische Experimente zu leistungsstarken Werkzeugen für die Erforschung der Grundlagenphysik werden. Neben dem Einsatz riesiger Teilchenbeschleuniger können Forscher auch äußerst präzise Messungen an einzelnen gefangenen Ionen oder Elektronen nutzen, um nach neuen Teilchen zu suchen. Bislang sind diese schwer fassbaren „Geisterteilchen“ noch unentdeckt. Doch grenzt jede Verbesserung den Kreis der möglichen Theorien ein und bringt die Physiker dem Verständnis der tieferen Gesetze, die das Universum regieren, einen Schritt näher.

Originalpublikationen:

[1] Stringent Constraints on New Pseudoscalar and Vector Bosons from Precision Hyperfine Splitting Measurements
Cedric Quint, Fabian Heiße, Joerg Jaeckel, Lutz Leimenstoll, Christoph H. Keitel and Zoltán Harman
Phys. Rev. Lett. 136 (2026) 113001, DOI: https://doi.org/10.1103/rvt1-93v2

[2] Fermion-Selective Tests of New Physics with the Bound-Electron g Factor
M. Moretti, C. H. Keitel, and Z. Harman
Phys. Rev. Lett. 136 (2026) 011803, DOI: https://doi.org/10.1103/zyb6-lvy8 

Weblinks:

Abteilung ‚Theoretische Quantendynamik und Quantenelektrodynamik‘ am MPIK

Prof. Joerg Jaeckel, Institut für Theoretische Physik, Universität Heidelberg

ALPHATRAP-Gruppe am MPIK