Forscher vermuten ein neues Teilchen – ein Portal in eine fünfte Dimension

Eine fünfte Dimension? Das ist nicht nur Stoff für eine Rick and Morty-Folge, sondern auch eine durchaus seriöse wissenschaftliche Überlegung – und das nicht erst seit gestern. Schon seit den 1920ern überlegen Physikerinnen und Physiker, ob es jenseits der bekannten vier Dimensionen der Raumzeit, also den drei räumlichen Dimensionen und der Zeit, noch weitere gibt. Im Laufe der Jahre sind dabei mehrere Arbeiten entstanden, die mithilfe einer Extradimension mehrere physikalische Probleme lösen konnten. Allerdings nur in der Theorie, experimentell überprüfen ließen sich diese Hypothesen nicht. Das könnte sich jetzt ändern.

Im Januar erschien ein Aufsatz in der Fachzeitschrift European Physical Journal C, in dem drei theoretische Physiker erklären, das Problem mithilfe eines neuen Teilchens gelöst zu haben. Die Autoren – Javier Castellano und Matthias Neubert vom PRISMA+ Exzellenzcluster der Johannes Gutenberg Universität Mainz und Adrian Carmona von der Universität von Granada – gehen davon aus, dass mithilfe dieses neuen Teilchens ein indirekter Zugriff auf die Dunkle Materie möglich sei sowie Erkenntnisse über die frühe Geschichte des Universums gewonnen werden können. Außerdem könnte es einige grundlegende theoretische Probleme mit subatomaren Teilchen lösen, sogenannten Fermionen.

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Fermionen sind die Teilchen, aus denen Materie besteht. Ihr Pendant sind die Bosonen, aus denen grob gesagt Kraft- und Strahlenfelder bestehen.

"Ursprünglich wollten wir mithilfe von Theorien mit einer Extradimension den Ursprung der Fermionen-Masse erklären", schreibt das Forscherteam in einer E-Mail. "Wir wussten, dass die Massen dieser Bestandteile besondere Eigenschaften haben, die nach einer Erklärung rufen."

Während das Team diese theoretischen Gleichungen in Bezug auf die Fermionen-Masse untersuchte, umriss es die Existenz eines neuen Skalarfelds, das wiederum mit einem spekulativen, besonders schweren Teilchen wechselwirkt. Das ist alles furchtbar abstrakt und kompliziert, aber lässt sich in etwa mit dem Higgs-Boson und seiner Wechselwirkung mit dem Higgs-Feld vergleichen. Falls dir das weiterhilft.

Als sie ihre Hypothese prüften, erkannten die Physiker, dass ihr neues Teilchen "ein einzigartiges Fenster" zur Dunklen Materie sein könnte. Falls es existiert, wäre es eine Verbindung zwischen der Dunklen Materie und ihrem sichtbaren Gegenstück – also der Materie, aus der Sterne, Planeten und alles andere in der lichtbasierten Astronomie bestehen. 

"Wenn dieses schwere Teilchen existiert, würde es die sichtbare Materie mit den Bestandteilen der Dunklen Materie verbinden – angenommen, dass die Dunkle Materie aus Elementar-Fermionen besteht, die es in der Extradimension gibt", so die Physiker. 

"Die Idee ist nicht weit hergeholt. Wir wissen, dass normale Materie aus Fermionen besteht." Wenn es eine zusätzliche Dimension gebe, schreiben die Forscher, werde es Fermionen dort wahrscheinlich auch geben.

Die Modelle des hypothetischen Teilchens widersprechen auch nicht den bisherigen Beobachtungen zur Dunklen Materie im Universum. Auch nicht zuletzt dank ihrer ausführlichen Berechnungen sind die Wissenschaftler optimistisch, dass das Teilchen "ein Messenger in den dunklen Sektor" sein könnte.

"Deswegen würde die Bestätigung dieses neuen Teilchens einen aufregenden Pfad zur möglichen Entdeckung der Dunklen Materie freimachen", sagt das Team. "Das würde uns vor allem nützliche Informationen über das Massespektrum der Dunklen Materie und ihre Interaktion mit bekannten Elementarteilchen geben."

Die praktische Suche nach dem Teilchen und seiner fünften Dimension gestaltet sich allerdings schwer. Das Higgs-Boson wurde 2012 im Large Hadron Collider LHC in der Schweiz entdeckt – rund 50 Jahre, nachdem es zum ersten Mal in theoretischen Arbeiten vorgeschlagen worden war. Leider fallen alle existierenden, aber auch die geplanten Teilchenbeschleuniger bei der Suche nach dem neuen Teilchen weg. Es ist einfach zu schwer, um dort erzeugt zu werden. 

Die Forscher denken aber, dass "sich das neue Teilchen nicht direkt, sondern über seine Wechselwirkung nachweisen" lassen werde, so Matthias Neubert in einer Pressemitteilung. 

Weitere Studien über die Dunkle Materie könnten auch dabei helfen einzugrenzen, wie wahrscheinlich die Existenz dieses Teilchens wirklich ist. Das Team ist optimistisch, dass das Konzept der fünften Dimension mit weiteren Fortschritten in der Teilchenphysik und der Kosmologie weiter ausgearbeitet wird. Abgesehen von seiner Bedeutung für das Verständnis der Dunklen Materie könnte das Teilchen, wenn es denn existiert, dabei helfen, ungelöste wissenschaftliche Probleme wie das Hierarchieproblem zu erklären. Und ein neues Fenster in das frühe Universum öffnen.

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