Analyse präziser Messungen bisher unerforschter Wechselwirkungen zwischen Elektronen und Atomkernen liefert Hinweise auf neue Teilchen

Teilchen der Dunklen Materie könnten als Vermittler der Wechselwirkung zwischen Elektronen und Atomkernen fungieren, wie eine Studie von Juniorgruppenleiter Dr. Konstantin Gaul, Dr. Lei Cong und Prof. Dr. Dmitry Budker von der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU), dem Helmholtz-Institut Mainz (HIM) und dem Exzellenzcluster PRISMA⁺⁺ zeigt. Ihre in der vergangenen Woche in der renommierten Fachzeitschrift Physical Review Letters veröffentlichte Arbeit liefert neue Erkenntnisse zu bisher unerforschten Kandidaten für Dunkle Materie und, ganz allgemein, zu einigen hypothetischen Teilchen, die nicht im Standardmodell der Teilchenphysik (SM) enthalten sind.

Anhand der Ergebnisse von Präzisionsmessungen an Bariummonofluorid (BaF)-Molekülen konnte das Team diese durch Z’-Bosonen vermittelten Wechselwirkungen erstmals bestimmen. Z’-Bosonen sind hypothetische Vermittler der schwachen Wechselwirkung und mögliche Teilchen der Dunklen Materie in mehreren Erweiterungen des SM. „Diese Ergebnisse schließen eine bedeutende Wissenslücke in der Physik: einen Bereich der Wechselwirkungen zwischen Elektronen und Kernen, der bislang weder durch Laborexperimente noch durch kosmologische Daten erforscht wurde“, erklärt Gaul.
Unser Universum besteht zu etwa vier Prozent aus sichtbarer oder gewöhnlicher Materie. Dazu gehören Planeten, Sterne und das Leben auf der Erde. Die restlichen 96 Prozent des Universums sind unsichtbar und bestehen aus Dunkler Materie und Dunkler Energie, wobei Dunkle Materie etwa 23 Prozent ausmacht. Astrophysikalische Beobachtungen bestätigen ihre Präsenz im gesamten Kosmos, wo sie beispielsweise eine wichtige Rolle bei der Strukturierung von Galaxien spielt. Wir wissen jedoch nicht, aus welchen Teilchen die Dunkle Materie besteht. Zahlreiche Theorien und laufende Experimente suchen nach einer Antwort auf diese offene Frage.

Ein interdisziplinärer Ansatz zu einer grundlegenden Frage der Teilchenphysik

Um den Beitrag von Z’-Bosonen zur Wechselwirkung zwischen Elektronen und Kernen zu bestimmen, aus der die sogenannte Hyperfeinstruktur von Atomen hervorgeht, nutzten die Autoren den Mainzer Supercomputer MOGON 2, um bestehende Ergebnisse von Präzisionsmessungen an BaF-Molekülen neu zu interpretieren. Für diese Studie waren nicht nur fundierte Kenntnisse der schwachen Wechselwirkung und der Eigenschaften von Bosonen jenseits des SM erforderlich, sondern auch solide Grundlagen in der Atom-, Molekül- und Kernphysik. Das machte das Projekt zu einem echten interdisziplinären Vorhaben. „Konstantin Gaul und Lei Cong sind Theoretiker der neuen Generation, die an der Schnittstelle zwischen Atom-, Molekül- und Optikphysik sowie Teilchen- und Kernphysik arbeiten”, sagt Budker. „Ihre Einbindung in eine überwiegend experimentell ausgerichtete Gruppe innerhalb von HIM und PRISMA⁺⁺ hat zu äußerst produktiven Kooperationen und sehr interessanten sowie wichtigen Ergebnissen geführt, von denen diese Arbeit nur ein Beispiel ist.“

Bei der Suche nach „neuer Physik“ könnte ein solcher Ansatz Aufschluss über seit langem offene Fragen bringen. Wie Gaul erklärt: „Da das dichte innere Umfeld polarer Moleküle subtile physikalische Effekte auf natürliche Weise verstärkt, dienen sie als leistungsstarke Laboratorien für die Entdeckung neuer Kräfte, die der Wissenschaft sonst unsichtbar bleiben.“

Die Studie ergab ähnliche Ergebnisse auch durch die Analyse des Experiments mit dem Atom Caesium-133, einer eher traditionellen Methode zur Untersuchung der Wechselwirkungen zwischen Elektronen und Atomkernen. Im Gegensatz zu Studien über Experimente mit Atomen stützt sich die Analyse von zweiatomigen Molekülen wie BaF derzeit jedoch nicht auf die Theorie der Kernphysik, was bedeutet, dass die Ergebnisse präziser sein können, da sie nicht von Unsicherheiten im Zusammenhang mit der Kernphysik beeinflusst werden. „Die aktuelle Studie beweist, dass Messungen der Molekularphysik ein aufstrebendes Werkzeug für die neue Physik sind, das mit traditionellen atomaren Methoden konkurriert. Unsere Ergebnisse zeigen, dass zukünftige Experimente mit schweren zweiatomigen Spezies wie BaF die Empfindlichkeit um einen Faktor 100 steigern und uns auf der Suche nach den verborgenen Kräften des Universums tiefer auf unerforschtes Terrain führen werden“, schließt Gaul.

Veröffentlichung:
Konstantin Gaul et al., Constraints on New Vector Boson Mediated Electron-Nucleus Interactions from Spectroscopy, Physical Review Letters, 136, 181805, 6. Mai 2026,
DOI: 10.1103/d19m-s856
https://doi.org/10.1103/d19m-s856

Bildmaterial

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Weiterführende Links

https://www.prisma.uni-mainz.de – Exzellenzcluster PRISMA⁺⁺

https://www.hi-mainz.de/ – Helmholtz-Institut Mainz

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