Ob Dunkle Materie, Asymmetrien bei Elementarteilchen oder die Expansion des Kosmos: Bisher können die Standardmodelle der Teilchenphysik und der Kosmologie nicht alle Phänomene im Universum erklären. Einige Physiker haben daher das Konzept der Spiegelwelt entwickelt. Das klingt zwar wie von „Star Trek“ abgeschaut, bezieht sich aber auf die Welt der Elementarteilchen: „In diesem Szenario besitzen alle normalen Teilchen – Elektron, Proton, Neutron etc. – artgleiche Spiegelpartner, die gegenüber den von unserem Standardmodell beschriebenen Wechselwirkungen steril sind“, erklären Nicholas Ayres von der ETH Zürich und seine Kollegen.
Neutronen als Wanderer zwischen den Welten
Konkret bedeutet dies: Für jedes uns bekannte Teilchen im Universum gibt es ein für uns nicht nachweisbares Spiegelteilchen mit gleicher Masse. Doch anders als Antimaterie interagieren diese Spiegelteilchen fast nicht mit unserer Welt und ihren Einflüssen. „Im Wesentlichen spüren sich beide Teilchensorten gegenseitig über die Gravitationskraft», erklärt Seniorautor Geza Zsigmond vom Paul Scherrer Institut (PSI). Es sei aber nicht möglich, die Existenz von Spiegelteilchen rein über die Schwerkraft nachzuweisen.
Doch es gibt noch einen anderen Weg: Wenn die Spiegelwelt-Hypothese stimmt, dann können einige Teilchen zwischen beiden Welten wechseln. „Jedes neutrale Teilchen – ob elementar wie Neutrinos oder zusammengesetzt wie Neutronen – kann sich demnach mit seinem massengleichen Spiegelpartner mischen“, erklären die Physiker. Bemerkbar wäre dies daran, dass diese Teilchen kurzzeitig aus unserer Welt verschwinden und dann wieder auftauchen – sie oszillieren zwischen der Spiegelwelt und unserer Welt.
Physiker haben bereits in mehreren Experimenten untersucht, ob ultrakalte Neutronen diese Oszillation zeigen. Dabei setzten sie Neutronen starken Magnetfeldern aus, weil diese den Wechsel zwischen unserer Welt und der Spiegelwelt begünstigen sollen. Doch die Resultate waren bisher wenig eindeutig und teilweise widersprüchlich.
Die Physiker Bernhard Lauss (links) und Geza Zsigmond an der ultrakalten Neutronenquelle des Paul Scherrer Instituts. Mit ihr haben sie nach Spiegelwelt-Oszillationen der Neutronen gesucht. — © Paul Scherrer Institut/ Markus Fischer
25 Millionen Neutronen im Test
Deswegen hat das Team um Ayres diese Hypothese nun erneut experimentell überprüft - mit einem speziellen Versuchsaufbau und insgesamt 25 Millionen Neutronen. Das Experiment ist das weltweit präziseste dieser Art, wie die Physiker erklären. Dafür erzeugten sie mit dem Protonenbeschleuniger des Paul Scherrer Instituts zunächst große Mengen Neutronen, die dann stark abgebremst und dadurch in einen energiearmen, ultrakalten Zustand gebracht wurden.
Diese ultrakalten Neutronen leitete das Team dann portionsweise – jeweils 1,5 Millionen Neutronen auf einmal – in einen Edelstahltank. Alle 200 Sekunden leerten sie den Tank und ermittelten, wie viele Neutronen noch enthalten waren. Denn wenn einige Neutronen zwischenzeitlich durch Oszillationen in die Spiegelwelt abtauchen, müsste sich dies in den Teilchenzahlen zeigen. Während dieser Messungen veränderten die Forschenden zusätzlich Richtung und Intensität des externen Magnetfelds.
„Zu 99,98 Prozent ausgeschlossen“
Das Ergebnis ist eher ernüchternd: „Wir haben keinerlei Hinweise auf anomale Neutronenverluste gefunden“, berichten Ayres und seine Kollegen. „Wir konnten keine Oszillationen von Neutronen und Spiegelneutronen beobachten.“ Weil ihre Messungen einen großen Teil des möglichen Oszillations-Raums mit hoher Präzision abdecken, schließen die Physiker ein Abtauchen der ultrakalten Neutronen in eine Spiegelwelt fast völlig aus.
„Der zuvor für potenzielle Signale solcher Oszillationen ermittelte Parameteraum wurde zu 99,98 Prozent ausgeschlossen“, schreiben die Forschenden. Das bedeutet: Entweder gibt es die Spiegelwelt nicht oder sie ist für neutrale Teilchen doch unzugänglicher als nach gängiger Theorie angenommen. Das weckt Zweifel an der ohnehin umstrittenen Spiegelwelt-Hypothese, liefert aber auch neue Anstöße für die theoretische Physik:
„Indem wir den Spielraum für bestimmte Spekulationen einschränken, zeigen wir theoretischen Physikern auf, dass sie neue Wege gehen müssen“, sagt Zsigmond. „Nur durch solche Impulse kann die Physik sich weiterentwickeln.“
Quelle: Nicholas Ayres (ETH Zürich) et al., Physical Review Letters, 2026; doi: 10.1103/2qck-n6mb
