Het universum bestaat voornamelijk uit een nieuwe substantie en een energievorm die nog niet begrepen is. Deze 'donkere materie' en 'donkere energie' zijn niet direct zichtbaar met het blote oog of door telescopen. Astronomen kunnen hun bestaan ​​alleen indirect bewijzen, gebaseerd op de vorm van sterrenstelsels en de dynamiek van het heelal. Donkere materie interageert met normale materie via de zwaartekracht, die ook de kosmische structuren van normaal, zichtbare materie.

Het is nog niet bekend of donkere materie ook interageert met zichzelf of met normale materie via de andere drie fundamentele krachten:de elektromagnetische kracht, de zwakke en de sterke kernkracht - of een extra kracht. Zelfs zeer geavanceerde experimenten hebben tot nu toe geen dergelijke interactie kunnen detecteren. Dit betekent dat als het al bestaat, het moet erg zwak zijn.

Om meer licht te werpen op dit onderwerp, wetenschappers over de hele wereld voeren verschillende nieuwe experimenten uit waarbij de werking van de niet-zwaartekracht fundamentele krachten plaatsvindt met zo min mogelijk interferentie van buitenaf en de actie wordt vervolgens nauwkeurig gemeten. Eventuele afwijkingen van de verwachte effecten kunnen wijzen op de invloed van donkere materie of donkere energie. Sommige van deze experimenten worden uitgevoerd met behulp van enorme onderzoeksmachines zoals die van CERN, de Europese Organisatie voor Nucleair Onderzoek in Genève. Maar experimenten op laboratoriumschaal, bijvoorbeeld in Dusseldorf, zijn ook haalbaar, indien ontworpen voor maximale precisie.

Het team dat werkt onder leiding van prof. Stephan Schiller van het Institute of Experimental Physics aan de HHU heeft de bevindingen gepresenteerd van een precisie-experiment om de elektrische kracht tussen het proton ("p") en de deuteron ("d") te meten in het tijdschrift Natuur . Het proton is de kern van het waterstofatoom (H), het zwaardere deuteron is de kern van deuterium (D) en bestaat uit een proton en een aan elkaar gebonden neutron.

De natuurkundigen uit Düsseldorf bestuderen een ongewoon object, HD+, het ion van het gedeeltelijk gedeutereerde waterstofmolecuul. Een van de twee elektronen die zich normaal in de elektronenschil bevinden, ontbreekt in dit ion. Dus, HD+ bestaat uit een proton en deuteron samengebonden door slechts één elektron, die de afstotende elektrische kracht tussen hen compenseert.

Dit resulteert in een bepaalde afstand tussen het proton en het deuteron, aangeduid als de 'bond lengte'. Om deze afstand te bepalen, de HHU-natuurkundigen hebben de rotatiesnelheid van het molecuul gemeten met een precisie van elf cijfers met behulp van een recent ontwikkelde spectroscopietechniek. De onderzoekers gebruikten concepten die ook relevant zijn op het gebied van kwantumtechnologie, zoals deeltjesvangers en laserkoeling.

Het is buitengewoon ingewikkeld om de bindingslengte af te leiden uit de spectroscopieresultaten, en dus om de sterkte van de kracht tussen het proton en het deuteron af te trekken. Dit komt omdat deze kracht kwantumeigenschappen heeft. De theorie van de kwantumelektrodynamica (QED) die in de jaren veertig werd voorgesteld, moet hier worden gebruikt. Een lid van het auteursteam heeft twee decennia besteed aan het vooruithelpen van de complexe berekeningen en was onlangs in staat om de lengte van de binding met voldoende precisie te voorspellen.

Deze voorspelling komt overeen met het meetresultaat. Uit de overeenkomst kan men de maximale sterkte afleiden van een wijziging van de kracht tussen een proton en een deuteron veroorzaakt door donkere materie. Prof. Schiller merkt op:"Mijn team heeft deze bovengrens nu meer dan 20-voudig naar beneden gedrukt. We hebben aangetoond dat donkere materie veel minder interageert met normale materie dan eerder voor mogelijk werd gehouden. Deze mysterieuze vorm van materie blijft undercover, in ieder geval in het laboratorium!"