17.09.2020 Dunkle Materie spiegelt sich in händigen Molekülen

Chirale Verbindungen eignen sich, um Licht auf den unsichtbaren Teil des Alls zu werfen

Das Weltall besteht zum großen Teil aus unsichtbarer Materie. Marburger Chemiker und ihre russischen Kollegen haben nun nachgerechnet, wie Dunkle Materie nachweisbar ist.
Foto: Colourbox.de / Animaflora Pics-Stock
Das Weltall besteht zum großen Teil aus unsichtbarer Materie. Marburger Chemiker und ihre russischen Kollegen haben nun nachgerechnet, wie Dunkle Materie nachweisbar ist.

Falls Dunkle Materie im Weltall existiert und falls sie zwischen links und rechts unterscheidet, ließe sie sich mit geeigneten chiralen Molekülen nachweisen – also mit chemischen Verbindungen, von denen zwei spiegelbildliche Versionen vorliegen, die einander ähneln wie die linke und die rechte Hand. Zu diesem Ergebnis kommen Theoretische Chemiker und Physiker aus Marburg und Sankt Petersburg, indem sie auf ein mehr als zwanzig Jahre altes Experiment zurückgreifen. Die Wissenschaftler um Professor Dr. Robert Berger von der Philipps-Universität berichten im Fachblatt „Physical Review Letters“ über ihre Ergebnisse.

Die linke und die rechte Hand sind nicht miteinander zur Deckung zu bringen, aber ansonsten sollte sich ein Spiegelbild nicht vom Original unterscheiden. Dieses Prinzip – Fachleute sprechen von Parität – gilt nicht nur für Hände, sondern ebenso für die meisten Kräfte, die zum Beispiel in chiralen Molekülen wirken. „Wir schlagen nun vor, mit chiralen Molekülen ein wenig Licht in das Geheimnis der Dunklen Materie zu bringen“, sagt der Theoretische Chemiker Robert Berger, der die Forschungsarbeit leitete.

Die sichtbare Materie im Weltall reicht nicht aus, um die Bewegung der Sterne zu erklären. Die moderne Kosmologie postuliert daher, der sichtbare Teil mache nur etwa ein Sechstel der gesamten Materie im Universum aus. Woraus aber der große Rest besteht – eben die Dunkle Materie –, ist nach wie vor ein Rätsel. „Obwohl nur wenig über diese unentdeckten kosmischen Bestandteile bekannt ist, gibt es eine Fülle von Theorien darüber, was Dunkle Materie tatsächlich sein könnte“, erläutert Erstautor Konstantin Gaul, der seine Doktorarbeit in Bergers Arbeitsgruppe anfertigt. „Die Bandbreite dieser Spekulationen reicht von uralten Schwarzen Löchern bis zu ultraleichten und bisher unbekannten Elementarteilchen.“

Bei der Suche nach Dunkler Materie stößt man auf Kandidaten, die das Paritätsprinzip verletzen. „Falls ultraleichte Dunkle Materie in dieser Form existiert, wirkt sie sich auf chirale Moleküle aus und verursacht oszillierende Energieunterschiede zwischen spiegelbildlichen Molekülen“, führt Gaul weiter aus.

In der aktuellen Studie gehen Berger und seine Mitstreiter der Frage nach, wie sich dieser Effekt nachweisen lassen könnte. Die Wissenschaftler schauten sich hierfür ein Präzisionsexperiment genauer an, das kurz vor der Jahrtausendwende in Paris durchgeführt wurde, um winzige Paritätsverletzungen aufgrund der fundamentalen schwachen Wechselwirkung in chiralen Molekülen nachzuweisen, genauer: in der Verbindung Bromchlorfluormethan.

Konstantin Gaul und Robert Berger rechneten nach, ob chirale Moleküle dazu taugen, Dunkle Materie aufzuspüren.
(Foto: Markus Farnung)

Das Team hat nachgerechnet, wie empfindlich das Experiment gegenüber Dunkler Materie ist und wie man diese Empfindlichkeit steigern kann. „Falls die Dunkle Materie Oszillationen in chiralen Molekülen hervorruft, so könnten diese an geeigneten Molekülen mittels Infrarotspektroskopie nachgewiesen werden“, sagen die Autoren voraus.

Dabei ließe sich die Präzision bestehender Experimente um mindestens zwei Größenordnungen verbessern. „Die Empfindlichkeit kann erheblich gesteigert werden, wenn man besser geeignete, schweratomige Moleküle wählt“, betont Berger.

Professor Dr. Robert Berger leitet eine Arbeitsgruppe für Theoretische Chemie an der Philipps-Universität Marburg. Neben Bergers Team beteiligten sich die Physiker Dr. Mikhail G. Kozlov und Dr. Timur A. Isaev vom Petersburg Nuclear Physics Institute an der Studie. Die Deutsche Forschungsgemeinschaft und die Russische Wissenschaftsstiftung förderten die zugrundeliegende Forschungsarbeit finanziell.

Originalveröffentlichung: Konstantin Gaul & al.: Chiral molecules as sensitive probes for direct detection of P-odd cosmic fields, Physical Review Letters 125 (2020), 123004, DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.125.123004

Begleitartikel: Konstantin Gaul & al., Parity-nonconserving interactions of electrons in chiral molecules with cosmic fields, Physical Review A, 102 (2020), 032816, DOI: https://journals.aps.org/pra/abstract/10.1103/PhysRevA.102.032816