Schon seit Jahrzehnten gibt es die Vermutung in der Physik, es könnte eine Spiegelwelt existieren, die mit unserer Realität nur in äusserst schwachem Kontakt steht. Forschende des Paul Scherrer Instituts schliessen dies nun mit sehr hoher Wahrscheinlichkeit aus.

Es klingt wie eine Idee aus der Science-Fiction, doch sie stammt von renommierten Forschenden aus der theoretischen Physik: Neben unserer gewöhnlichen Realität könnte es eine sogenannte Spiegelwelt geben. Dabei würde jede Art Elementarteilchen eine entsprechende Art Spiegelteilchen besitzen. Laut dieser Theorie sind allerdings kaum Wechselwirkungen zwischen normalen und Spiegelteilchen zu erwarten. «Im Wesentlichen spüren sich beide Teilchensorten gegenseitig über die Gravitationskraft», sagt Geza Zsigmond, Wissenschaftler am Zentrum für Neutronen- und Myonenforschung des PSI.

Trotz jahrzehntelanger Suche konnten diese mysteriösen Spiegelteilchen nie nachgewiesen werden. Zwar haben Ergebnisse bei jüngeren Experimenten am Institut Laue-Langevin in Frankreich die Spekulationen zu Spiegelneutronen wieder aufflammen lassen; doch nun konnten PSI-Forschende mit einem neuen Experiment, das weltweit unübertroffene Präzision erzielt hat, grössere Klarheit schaffen: Mit sehr hoher Wahrscheinlichkeit kann man die Verwandlung von Neutronen in ihre Spiegelversion ausschliessen.

Von der Weltbühne verschwinden?
«Es gibt keine Chance, die Existenz von Spiegelteilchen rein über die Schwerkraft nachzuweisen», sagt Bernhard Lauss, der am Zentrum für Neutronen- und Myonenforschung des PSI die Forschungsgruppe zu ultrakalter Neutronenphysik leitet. «Wir haben uns deshalb auf die andere Eigenschaft von Spiegelteilchen konzentriert, nämlich dass neutrale Teilchen gemäss dieser Hypothese zwischen unserer normalen Materie und der Spiegelwelt hin und her oszillieren könnten.» Ein neutrales Teilchen wie das Neutron könnte also – sehr selten – einfach von unserer Weltbühne verschwinden und sich in ein Spiegelteilchen verwandeln. Nach einiger Zeit könnte es dann wie aus dem Nichts wieder auftauchen.

Um diesem eigenartigen Verhalten auf die Schliche zu kommen, haben die PSI-Forschenden gemeinsam mit Forschenden von der ETH Zürich und der Jagiellonen-Universität in Krakau ein ausgeklügeltes Experiment ersonnen. Sie haben Neutronen, die mit dem hochintensiven Protonenbeschleuniger am PSI in grosser Menge produziert werden, stark abgebremst und auf diese Weise sogenannte ultrakalte Neutronen erzeugt. Diese haben sie dann in einem speziellen, unmagnetischen Vakuum-Edelstahlbehälter gefangen.

Kein Hinweis auf Spiegelwelt
Das Team hat deshalb alle 5 Minuten rund 1,5 Millionen Neutronen in einem grossen Edelstahltank gespeichert. Nach jeweils rund 200 Sekunden wurde er entleert und die Forschenden ermittelten, wie viele Neutronen noch erhalten waren. Dies wurde über mehrere Monate hinweg wiederholt, sodass insgesamt rund 25 Milliarden Neutronen vermessen wurden.

Dabei haben die Forscher keine Hinweise auf Oszillationen gesehen. Wie es in der Mitteilung des PSI heisst, lassen sich mit diesen Ergebnissen alle bisherigen Spekulationen zur Verwandlung in Spiegelteilchen mit sehr hoher Wahrscheinlichkeit ausschliessen.

Auch wenn kein Hinweis auf eine spektakuläre Spiegelwelt gefunden wurde, ist das Ergebnis dieser Studie wichtig für die Teilchenphysik. «Indem wir den Spielraum für bestimmte Spekulationen einschränken, zeigen wir den Forschenden in der theoretischen Physik auf, dass sie neue Wege gehen müssen», schliesst Zsigmond.

(nfz)