Een uiterst nauwkeurig experiment onder leiding van de TU Wien heeft zijn zinnen gezet op het lokaliseren van de tot nu toe hypothetische "symmetronvelden" met behulp van de PF2 ultrakoude neutronenbron in het Institut Laue-Langevin in Frankrijk. Het bestaan ​​van symmetronen zou namelijk een verklaring kunnen bieden voor de mysterieuze donkere energie.

Eén ding is zeker:er is iets dat we nog niet weten. Wetenschappers zijn al jaren op zoek naar 'donkere materie' of 'donkere energie' - met onze huidige inventaris van deeltjes en krachten in de natuur kunnen we grote kosmologische verschijnselen gewoon niet verklaren. zoals waarom het heelal steeds sneller uitdijt.

Nieuwe theorieën voor "donkere energie" zijn gesuggereerd. Een van de kandidaten is het zogenaamde "symmetronveld, " waarvan wordt gezegd dat het de ruimte doordringt zoals het Higgs-veld. Aan de TU Wenen hebben onderzoekers een experiment ontwikkeld waarmee extreem kleine krachten kunnen worden gemeten met behulp van neutronen. De metingen werden gedaan tijdens een campagne van 100 dagen in het Institut Laue-Langevin , op zijn PF2 ultrakoude neutronenbron. Ze hadden aanwijzingen kunnen geven naar de mysterieuze symmetronen, maar de deeltjes kwamen niet opdagen. Hoewel dit niet het einde van de theorie is, het sluit op zijn minst de mogelijkheid uit dat symmetronen bestaan ​​over een breed scala aan parameters - en "donkere energie" zal anders moeten worden uitgelegd.

De symmetron - het kleine broertje van het Higgs-deeltje?

Volgens Hartmut Abele, hoofdwetenschapper van het project, de symmetronentheorie zou een bijzonder elegante verklaring zijn voor donkere materie. "We hebben al bewijs van het Higgs-veld, en het symmetronveld is zeer nauw verwant." zoals bij het Higgs-deeltje waarvan de massa niet bekend was totdat het bestaan ​​van het deeltje werd bevestigd, de fysieke eigenschappen van symmetrons kunnen niet nauwkeurig worden voorspeld.

Abel legt uit, "Niemand kan zeggen wat de massa van symmetronen is, noch hoe sterk ze interageren met normale materie. Daarom is het zo moeilijk om hun bestaan ​​experimenteel te bewijzen - of hun niet-bestaan." Het bestaan ​​van symmetronen kan alleen worden bevestigd of weerlegd binnen een bepaald parameterbereik - symmetronen, met andere woorden, met massa- of koppelingsconstanten in een bepaald waardebereik.

Wetenschappers maken daarom voorzichtig vorderingen, van het ene experiment naar het andere, testen van verschillende parameterbereiken. Het was al duidelijk dat een aantal rangen uitgesloten konden worden. Symmetrons bijvoorbeeld met hoge massa en lage koppelingsconstanten kunnen niet bestaan, zoals ze al op atomair niveau zouden zijn opgedoken. Onderzoeken naar het waterstofatoom zouden andere resultaten hebben opgeleverd. evenzo, symmetronen in een bepaald bereik met zeer hoge koppelingsconstanten kunnen ook worden uitgesloten, zoals ze al zouden zijn gedetecteerd in andere experimenten met massieve slinger.

Neutronen gebruiken als krachtsensoren bij de neutronenbron van het Institut Laue-Langevin

Dat gezegd hebbende, er was nog voldoende ruimte om het bestaan ​​van symmetronen toe te geven, en dit is wat het team nu in het experiment heeft onderzocht. Een stroom uiterst trage neutronen werd tussen twee spiegeloppervlakken geschoten. De neutronen zijn te vinden in twee verschillende kwantumfysische toestanden. De energieën van deze toestanden hangen af ​​van de krachten die op het neutron worden uitgeoefend, en dit is wat het neutron zo'n gevoelige krachtdetector maakt. Als de kracht die op het neutron net boven het spiegeloppervlak werkt anders is dan de kracht verderop, dit zou een sterke aanwijzing zijn voor het bestaan ​​van een symmetronenveld. Mario Pitschmann van de TU Wenen, Philippe Brax van het CEA bij Parijs en Guillaume Pignol van LPSC in Grenoble hebben de invloed van een symmetronenveld op het neutron berekend. Dit effect, echter, kan niet worden waargenomen, ondanks de extreme nauwkeurigheid van de meting.

De precisie van de energieverschilmeting is ongeveer 2x10 ^-15 elektron-volt (een cijfer te danken aan het proefschrift van Gunther Cronenberg). Dat is de energie die nodig is om een ​​enkel elektron in het zwaartekrachtveld van de aarde op te tillen over een afstand van ongeveer 30 micrometer, wat een onvoorstelbaar kleine hoeveelheid energie is.

De ultrakoude neutronen die nodig zijn voor het experiment werden gegenereerd en afgeleverd door het PF2-instrument van het Institut Laue-Langevin. "Met zijn ongeëvenaarde stroom van ultrakoude neutronen, PF2 is praktisch het enige instrument dat er is voor dit soort zeer nauwkeurige metingen bij extreem lage telsnelheden, ", zegt Tobias Jenke. Jenke speelde een belangrijke rol bij de ontwikkeling van het experiment van de TU Wenen. Hij is nu, samen met Peter Geltenbort, verantwoordelijk voor de koude neutronenbron van het Institut Laue-Langevin. Oostenrijk is wetenschappelijk lid van het Instituut en heeft dus toegang tot zijn reeks instrumenten. Het experiment is een uitstekend voorbeeld van wetenschappelijke samenwerking tussen Oostenrijkse en Franse onderzoekers.

Voorlopig ziet het er niet al te rooskleurig uit voor de symmetronentheorie, hoewel het te vroeg is om hun bestaan ​​volledig uit te sluiten. "We hebben een breed parameterdomein uitgesloten:als er symmetrons met eigenschappen in dit domein waren, hadden we ze gevonden." Om de resterende mazen in de wet te dichten, de wetenschap heeft nog betere metingen nodig - of een grote ontdekking die een compleet andere oplossing biedt voor het mysterie van donkere energie.