„Diese Ergebnisse schließen eine bedeutende Wissenslücke in der Physik"

Im Zentrum stehen Präzisionsmessungen an Bariummonofluorid (BaF)-Molekülen. Aus ihnen ließ sich erstmals ein Beitrag sogenannter Z’-Bosonen bestimmen – hypothetischer Teilchen, die in verschiedenen theoretischen Erweiterungen des Standardmodells als Vermittler der schwachen Wechselwirkung und zugleich als Kandidaten für Dunkle Materie diskutiert werden.

„Diese Ergebnisse schließen eine bedeutende Wissenslücke in der Physik: einen Bereich der Wechselwirkungen zwischen Elektronen und Kernen, der bislang weder durch Laborexperimente noch durch kosmologische Daten erforscht wurde“, sagt Gaul.

Der physikalische Hintergrund ist eine bekannte Leerstelle der Kosmologie. Nur rund vier Prozent des Universums bestehen aus sichtbarer Materie. Der Rest verteilt sich auf Dunkle Materie und Dunkle Energie, wobei Dunkle Materie etwa 23 Prozent ausmacht. Ihre Existenz gilt als gesichert, etwa durch ihre Wirkung auf die Struktur von Galaxien. Woraus sie besteht, ist jedoch weiterhin offen.

Die Mainzer Gruppe nutzte für ihre Analyse den Supercomputer 'MOGON 2', um bestehende experimentelle Daten neu auszuwerten. Dabei geht es um die sogenannte Hyperfeinstruktur von Atomen, deren Beschreibung eine präzise Kenntnis der Wechselwirkungen zwischen Elektronen und Kernen erfordert. Das Projekt verbindet dabei Bereiche, die in der Regel getrennt behandelt werden: Atom-, Molekül- und Kernphysik ebenso wie Aspekte der Teilchenphysik.

„Konstantin Gaul und Lei Cong sind Theoretiker der neuen Generation, die an der Schnittstelle zwischen Atom-, Molekül- und Optikphysik sowie Teilchen- und Kernphysik arbeiten”, sagt Budker. „Ihre Einbindung in eine überwiegend experimentell ausgerichtete Gruppe innerhalb von HIM und PRISMA++ hat zu äußerst produktiven Kooperationen und sehr interessanten sowie wichtigen Ergebnissen geführt, von denen diese Arbeit nur ein Beispiel ist.“

Bemerkenswert ist aus Sicht der Forschenden die Rolle der Molekülphysik. Polare Moleküle wie BaF verstärken subtile Effekte im Inneren, die andernfalls kaum messbar wären. „Da das dichte innere Umfeld polarer Moleküle subtile physikalische Effekte auf natürliche Weise verstärkt, dienen sie als leistungsstarke Laboratorien für die Entdeckung neuer Kräfte, die der Wissenschaft sonst unsichtbar bleiben“, so Gaul.

Ergänzend wurden auch Daten aus Experimenten mit Caesium-133 ausgewertet, einer etablierten Methode der Atomphysik. Der Unterschied liegt im theoretischen Zugriff: Während atomare Systeme stark von Modellen der Kernphysik abhängen, kommen die BaF-Moleküle weitgehend ohne diese Annahmen aus. Das reduziert bestimmte Unsicherheiten in der Auswertung.

„Die aktuelle Studie beweist, dass Messungen der Molekularphysik ein aufstrebendes Werkzeug für die neue Physik sind, das mit traditionellen atomaren Methoden konkurriert. Unsere Ergebnisse zeigen, dass zukünftige Experimente mit schweren zweiatomigen Spezies wie BaF die Empfindlichkeit um einen Faktor 100 steigern und uns auf der Suche nach den verborgenen Kräften des Universums tiefer auf unerforschtes Terrain führen werden“, schließt Gaul.

Originalpublikation:
Gaul, K., Cong, L., Budker, D., & weitere Autor:innen. (2026, 6. Mai). Constraints on new vector boson mediated electron-nucleus interactions from spectroscopy. Physical Review Letters, 136, 181805. DOI:10.1103/d19m-s856

Quelle: Johannes Gutenberg-Universität Mainz