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Ringfahndung nach Dunkler Materie

Weltweites Netzwerk aus optischen Magnetometern sucht nach "dunklen" Feldmustern

GNOME
Sieht unscheinbar aus, soll aber die Teilchen der Dunklen Materie dingfest machen: Mainzer GNOME-Messstation. © Hector Masia Roig

Die Suche geht weiter: Ein weltweites Netzwerk optischer Magnetometer hat die Fahndung nach Dunkler Materie und ihren noch immer unentdeckten Teilchen aufgenommen. Sollte diese exotische Materieform aus Axionen oder anderen leichten Bosonen bestehen, dann könnten sie in konzentrierter Form die Spins von Atomen beeinflussen – und sich daher in den optischen Magnetometern bemerkbar machen. Im ersten Monat der Messungen wurde das GNOME-Netzwerk jedoch noch nicht fündig.

Die Dunkle Materie macht mehr als 80 Prozent der gesamten Materie im Kosmos aus, doch woraus sie besteht, ist noch immer ein Rätsel. Versuche, die Teilchen der Dunklen Materie mit verschiedensten Detektoren nachzuweisen, waren bislang weitgehend vergeblich. Dadurch gelten einige Kandidaten wie Weakly Interacting Massive Particles (WIMPs) oder sterile Neutrinos inzwischen als unwahrscheinlich, während Axionen oder andere „dunkle“ Bosonen in den Fokus der Fahndung rücken.

GNOME-Netzwerk
Verteilung der Magnetometer im GNOME-Netzwerk. © Hector Masia Roig

„Dunkle“ Felder stören Atomspins

Eine neue Möglichkeit, Axionen und ähnliche potenzielle Dunkle-Materie-Teilchen aufzuspüren, ist das GNOME-Netzwerk (Global Network of Optical Magnetometers for Exotic Physics Searches). Dieses beruht auf einer potenziellen Eigenschaft der Axion-artigen Partikel, die auch für andere Bosonen typisch ist: „Sie können auch als klassisches Feld betrachtet werden, das mit einer bestimmten Frequenz oszilliert“, erklärt Koautor Arne Wickenbrock von der Universität Mainz.

Das Entscheidende jedoch: „Eine Eigenheit solcher bosonischen Felder ist, dass sie – so ein mögliches theoretisches Szenario – Muster und Strukturen bilden können“, so Wickenbrock weiter. „Es könnten sich zum Beispiel diskrete Domänenwände bilden, die kleiner als eine Galaxie, aber viel größer als die Erde sind.“ Wenn nun die Erde durch eine solche „Wand“ aus Dunkler Materie fliegt, müssten die Axion-artigen Teilchen mit den gerichteten Spins von Atomen in einem Magnetfeld interagieren.

Weltweites Messnetz

Genau diesen Effekt macht sich das GNOME-Netzwerk zu nutze. In den auf 14 Länder weltweit verteilten Magnetometern regt ein Laser die Spins der Messatome so an, dass sie alle in die gleiche Richtung zeigen. Wenn nun ein potenzielles Dunkle-Materie-Feld in den Bereich dieser Magnetometer gelangt, müsste es die Atomspins auslenken. „Dunkle Materieteilchen können die tanzenden Atome aus dem Gleichgewicht bringen. Diese Störung können wir sehr genau messen“, sagt Wickenbrocks Kollege Hector Masia-Roig.

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Das Signal eines bosonischen Feldes von Axionen müsste sich daher als Störung nachweisen lassen, die in einem bestimmten Tempo nacheinander die global verteilten Magnetometer erfasst. „Erst wenn wir die Signale aller Stationen abgleichen, können wir beurteilen, was die Störung ausgelöst hat“, so Masia-Roig.

Bisher keine Treffer

Allerdings: Erste vorläufige Messungen mit neun der 14 Magnetometer-Stationen haben bisher keine Effekte von Axion-artigen Teilchen nachweisen können. In den vier Suchdurchläufen zwischen 2017 und 2020 hat das GNOME-Team vor allem die Energiebereiche bis zu 400.000 Gigaelektronenvolt abgetastet und keine statistisch signifikanten Signale gefunden. Dies schränkt den Bereich weiter ein, in dem solche Teilchen existieren könnten, so die Forscher.

Für die weitere Fahndung sollen die Magnetometer des GNOME-Netzwerks und die Datenanalyse so verbessert werden, dass längere Dauermessungen möglich sind. Das ist wichtig, um zuverlässig nach Signalen zu suchen, die länger als eine Stunde anhalten. Zudem sollen die bisherigen Alkali-Atome in den Magnetometern durch Edelgase ersetzt werden, wie das Team erklärt. Insgesamt wird dies dem Messnetz eine höhere Sensitivität verleihen. (Nature Physics, 2021; doi: 10.1038/s41567-021-01393-y)

Quelle: Johannes Gutenberg-Universität Mainz

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