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Mittwoch, 18.10.2017
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Ein "Radio" für Dunkle Materie

US-Physiker wollen Teilchen der Dunklen Materie über deren Wellennatur aufspüren

Wellen statt Teilchen: US-Physiker wollen mit einer Art Radio nach den mysteriösen Teilchen der Dunklen Materie fahnden. Denn wegen des Welle-Teilchen-Dualismus könnten sich diese Partikel über extrem schwache elektromagnetische Wellen verraten, so die Hoffnung der Forscher. Mit ihrem Empfangsgerät wollen sie die schwachen Signale von "dunklen Photonen" oder Axionen aufspüren. Einen Prototypen ihres "Dunkle-Materie-Radios" gibt es schon.
Skurrile Idee: Eine Art Radio soll die Wellen von Teilchen der Dunklen Materie einfangen.

Skurrile Idee: Eine Art Radio soll die Wellen von Teilchen der Dunklen Materie einfangen.

Woraus besteht die Dunkle Materie? Obwohl fast vier Fünftel unseres Universums aus dieser exotischen, unsichtbare Materieform bestehen, ist diese Frage bis heute ungeklärt. Viele Forscher favorisierten bisher die "Weakly Interacting Massive Particles" (WIMPs) als mögliche Dunkle-Materie-Teilchen. Diese massereichen Partikel sollen sich bei Kollisionen gegenseitig auslöschen und dabei unter anderem Gammastrahlen freisetzen.

Doch trotz einiger vielversprechender Gammastrahlen-Signale gelang es bisher keinem Detektor, die WIMPs nachzuweisen. Deshalb rücken nun zunehmend leichtere Kandidaten in den Fokus der Astrophysiker, darunter die sogenannte Axionen, aber auch "dunkle Photonen" – hypothetische, unsichtbare Vettern unserer normalen Photonen.

Fahndung nach Wellen statt Teilchen


Nach solchen leichteren Teilchenkandidaten der Dunklen Materie wollen nun Forscher um Peter Graham vom SLAC National Accelerator Laboratory und der Stanford University suchen. Ihre Idee: Sie wollen diese dunklen Leichtgewichte nicht durch Kollisionen mit Atomen nachweisen, wie es die meisten bisherigen Detektoren für Dunkle-Materie-Teilchen tun, sondern ihre Wellennatur ausnutzen.


"Wenn die Teilchen der Dunklen Materie sehr leicht sind, könnten wir eine bessere Chance haben, sie als Welle statt als Teilchen aufzuspüren", sagt Graham. Denn nach dem Welle-Teilchen-Dualismus der Quantenphysik hat ein Partikel auch Merkmale einer Welle. So ist das Licht zwar eine elektromagnetische Welle, besteht aber gleichzeitig aus einzelnen Photonen.

Die supraleitende Niobschicht dieses Empfängers schirmt alle normalen Elektromagnetischen Signale ab. Dunkle Materie aber kann diese Barriere passieren.

Die supraleitende Niobschicht dieses Empfängers schirmt alle normalen Elektromagnetischen Signale ab. Dunkle Materie aber kann diese Barriere passieren.

Signale in gängigem Frequenzbereich?


Ähnliches könnte für die Teilchen der Dunklen Materie gelten, so die Hoffnung der Physiker. "Die Suche nach dunklen Photonen ist ein bisher völlig unerforschtes Territorium", sagt Grahams Kollege Saptarshi Chaudhuri. "Bei den Axionen könnte ein Dunkle-Materie-Radio die Lücken in den Suchbereichen existierender Experimente schließen."

Ihren Berechnungen nach müssten diese Partikel bei Massen im Gigaelektronenvolt-Bereich in Frequenzen schwingen, die zwischen mehreren Kilohertz bis einigen Gigahertz liegen. Dummerweise sind dies jedoch genau die Frequenzen, in denen unsere Telekommunikation stattfindet.

"Unser Radio vor unerwünschter Strahlung abzuschirmen, ist daher sehr wichtig", erklärt Kent Irwin vom Kavli Institute. "Wir würden dafür normalerweise eine mehrere Meter dicke Kupferschicht benötigen. Glücklicherweise können wir den gleichen Effekt aber mit einer dünnen Schicht aus supraleitendem Material erreichen."

Der Prototyp des Dunkle-Materie-Radios steht im Keller der Stanford University.

Der Prototyp des Dunkle-Materie-Radios steht im Keller der Stanford University.

Ein Prototyp existiert schon


Einen Prototyp des Radios für die Dunkle Materie haben die Forscher bereits fertiggestellt. Er besteht im Prinzip aus einem elektronischen Schaltkreis, dessen Resonanzfrequenz verstellbar ist – ähnlich wie ein normales Radio auch. Allerdings besteht das Empfängermodul hier aus extrem sensiblen Magnetometern, sogenannten supraleitenden Quanteninterferenz-Geräten (SQUIDs). Kombiniert sind sie mit einem besonders rauscharmen elektronischen Verstärker.

Der Prototyp funktioniert bereits, kann allerdings bisher nur einen engen Frequenzbereich abtasten, wie die Wissenschaftler erklären. Schon bald aber wollen sie zwei vollwertige Empfänger fertiggestellt haben und diese dann an der Stanford Universitys und am SLAC National Accelerator Laboratory installieren.

Kostengünstig im Keller


Ein Vorteil dabei: Weil es nicht um Teilchenkollisionen geht, muss das Radio nicht wie herkömmliche Detektoren unter hunderte Meter dicken Wasser- oder Gesteinsschichten gegen die kosmische Strahlung abgeschirmt werden. Daher lässt sich ein solcher Empfänger mit relativ einfachen Mitteln konstruieren und im Keller einer Universität betreiben. "Es ist großartig, dass wir dieses neue Detektorkonzept mit einem Instrument ausprobieren können, dass relativ wenig kostet und kaum Risiken birgt", sagt Arran Phipps vom Kavli Institute.

Ob das Konzept funktioniert, muss sich in den nächsten Jahren zeigen. An Teilchen der Dunklen Materie und deren Wellen dürfte es jedenfalls nicht mangeln: Simulationen nach könnten in unserer kosmischen Nachbarschaft rund eine Billion Axionen pro Kubikzentimeter vorkommen.
(SLAC National Accelerator Laboratory, 10.10.2017 - NPO)
 
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