Der Dunklen Materie auf der Spur

Tag für Tag sind wir von Materie umgeben – Bäume, Häuser und Möbel, ja selbst die Luft gehören in ihr Reich. Doch: Diese uns bekannte, sichtbare Materie scheint Physikern zufolge nur etwa 20 Prozent der gesamten Materie im Universum auszumachen.

Ganze 80 Prozent sollen zur Dunklen Materie gehören – so die gängige Theorie. Einer der Gründe, unter mehreren, für diese Annahme: Die Sterne bewegen sich weit schneller, als sie es tun dürften, wenn nur „normale“ Materie existieren würde.

Dunkle Materie könnte auf Axionen zurückgehen

Im Laufe der Zeit entwickelten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler unterschiedliche Theorien darüber, aus was genau diese geheimnisvolle Dunkle Materie bestehen soll. Mögliche Kandidaten sind schwach wechselwirkende, schwere Teilchen WIMPs; eine Abkürzung für den englischen Begriff „Weakly Interacting Massive Particles“.

Forscher haben zahlreiche Jahre damit verbracht, diese mit Teilchendetektoren aufzuspüren und versuchen dies nach wie vor – bislang leider vergeblich. Vor einigen Jahren postulierten Wissenschaftler weitere mögliche Teilchen, genannt Axionen, die um ein Vielfaches leichter sind als andere Teilchen.

Das Feld dieser Teilchen oszilliert der Theorie zufolge – es verändert sich also ständig. Die Frequenz, mit der es das tut, ist proportional zur Schwere der Teilchen: Da die Teilchen sehr leicht sind, sollte sie also sehr niedrig sein. Genau weiß das jedoch bislang niemand: Es ist ebenso möglich, dass dieses Feld ein ganzes Jahr braucht, um eine Periode zu durchlaufen, oder dies Billionen Mal pro Sekunde tut.

Axionen über Kernspinänderung aufspüren

Forscher der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) haben nun eine Möglichkeit gefunden, diese Axionen nachzuweisen – im Projekt Cosmic Axion Spin Precession Experiment CASPEr. „Wir setzen dabei auf die Kernspinresonanz“, erläutert Prof. Dr. Dmitry Budker vom Institut für Physik der JGU und dem Helmholtz-Institut Mainz.

„Mit dieser detektieren wir die Kernspins von Molekülen, genauer gesagt vom Kohlenstoff-Isotop C13 und von Wasserstoff.“

Die Grundannahme: Die Dunkle Materie beeinflusst die Spins, sie sollte sie zum Rotieren bringen. Nun werden die Spins allerdings auch vom Erdmagnetfeld beeinflusst. Die Forscher müssen daher auseinanderhalten, welcher Anteil der beobachteten Spin-Änderungen auf die Dunkle Materie und welcher auf das Erdmagnetfeld zurückzuführen ist.

Das Wissenschaftlerteam hat daher die Komagnetometrie entwickelt: Diese basiert auf der Vielzahl von Atomkernen in einem Molekül. Da verschiedenartige Kerne jeweils unterschiedlich empfindlich auf die Magnetfelder von Erde und Dunkler Materie reagieren, lassen sich beide Effekte separieren.

Ein Teil des möglichen Frequenzbereichs ist bereits untersucht

Den Frequenzbereich von ein bis drei Oszillationen pro Jahr bis zu 18 Oszillationen pro Stunde haben die Forscher der JGU bereits durchkämmt – allerdings ohne auf die Einflüsse Dunkler Materie zu stoßen. „Man kann sich das ähnlich vorstellen, als hätte man in einem großen Garten einen Ring verloren“, erläutert Budker.

„Einen Teil dieses Gartens haben wir bereits untersucht, wir wissen also, wo sich der Ring nicht befindet – sprich in welchem Frequenzbereich sich das Axion nicht bewegt. Auf diese Weise konnten wir den Bereich, in dem wir das Axion zu finden hoffen, stark einschränken und werden die Suche nun auf die anderen Bereiche fokussieren.“

Bildmaterial:
http://www.uni-mainz.de/bilder_presse/08_physik_quantum_dunkle_materie_axionen.j…
Dr. Teng Wu richtet den Laserstrahl der Komagnetometrie-Anordnung aus
Foto/©: Arne Wickenbrock, JGU

Weiterführende Links:
https://budker.uni-mainz.de/ – Arbeitsgruppe Dmitry Budker
https://www.hi-mainz.de/ – Helmholtz-Institut Mainz

Lesen Sie mehr:
http://www.uni-mainz.de/presse/aktuell/7645_DEU_HTML.php – Pressemitteilung „Rotationsdynamik von Galaxien: Physiker analysieren Einfluss der Photonenmasse“ (07.02.2019

http://www.uni-mainz.de/presse/aktuell/6963_DEU_HTML.php – Pressemitteilung „Meilenstein bei Erforschung der atomaren Paritätsverletzung erreicht“ (07.11.2018)

http://www.uni-mainz.de/presse/aktuell/6769_DEU_HTML.php – Pressemitteilung „Erdmagnetfeld in etwa 90 Kilometer Höhe mithilfe von künstlichen Sternen vermessen“ (25.10.2018)

http://www.uni-mainz.de/presse/75388.php – Pressemitteilung „Mainzer Experimentalphysiker Dmitry Budker erhält ERC Advanced Grant“ (12.05.2016)

http://www.magazin.uni-mainz.de/2452_DEU_HTML.php – JGU-Magazin-Beitrag „Nicht alles ist symmetrisch im Universum“ (09. 01. 2015)

Prof. Dr. Dmitry Budker
Helmholtz-Institut Mainz und
AG Quanten-, Atom- und Neutronenphysik (QUANTUM)
Johannes Gutenberg-Universität Mainz
55099 Mainz
Tel. +49 6131 39-29630
E-Mail: budker@uni-mainz.de
http://www.phmi.uni-mainz.de/8055.php

Teng Wu et al.
Search for Axionlike Dark Matter with a Liquid-State Nuclear Spin Comagnetometer
Physical Review Letters, 15. Mai 2019
DOI: 10.1103/PhysRevLett.122.191302
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.191302