Robert Klatt
Das GNOME-Netzwerk versucht mit 14 speziellen Magnetometern Dunkle Materie nachzuweisen. Beteiligt ist auch die Johannes Gutenberg-Universität in Mainz.
Mainz (Deutschland). Die Dunkle Materie hat einen Anteil von etwa 80 Prozent an der Materie im Kosmos. Trotzdem konnte die Physik bisher nicht bestimmen, woraus sie besteht, weil Versuche, die die Teilchen der Dunklen Materie mithilfe unterschiedlicher Detektoren nachweisen sollten, weitgehend scheiterten. Kandidaten wie sterile Neutrinos oder Weakly Interacting Massive Particles (WIMPs) gelten inzwischen als unwahrscheinliche Bestandteile der Dunklen Materie. Im Fokus der Wissenschaft liegen derzeit Axionen und andere Bosonen.
Um Axionen sowie ähnliche potenzielle Dunkle-Materie-Teilchen detektieren zu können, wurde nun das GNOME-Netzwerk (Global Network of Optical Magnetometers for Exotic Physics Searches) geschaffen, an dem unter anderem die Johannes Gutenberg-Universität Mainz beteiligt ist. Das Netzwerk basiert auf der potenziellen Eigenschaft der Axion-artigen Partikel, die „als klassisches Feld betrachtet werden können, das mit einer bestimmten Frequenz oszilliert“, erklärt Arne Wickenbrock.
Entscheidend dabei ist laut der Publikation im Fachmagazin Nature Physics Eigenheit solcher bosonischen Felder, die theoretisch Muster und Strukturen bilden können. „Es könnten sich zum Beispiel diskrete Domänenwände bilden, die kleiner als eine Galaxie, aber viel größer als die Erde sind“, erklärt Wickenbrock. Würde die Erde durch eine Domänenwand aus Dunkler Materie fliegen, müssten deren Axion-artigen Teilchen mit den gerichteten Spins von Atomen innerhalb eines Magnetfelds interagieren.
Diesen möglichen Effekt will das GNOME-Netzwerk verwenden. Dazu wurden in 14 Ländern Magnetometern verteilt, in denen die Spins der Messatome durch einen Laser so ausgerichtet werden, dass sie in die gleiche Richtung zeigen. Wenn die Erde ein Dunkle-Materie-Feld durchfliegen würde, müsste dies die Atomspins der Magnetometer auslenken. „Dunkle Materieteilchen können die tanzenden Atome aus dem Gleichgewicht bringen. Diese Störung können wir sehr genau messen“, erklärt Hector Masia-Roig.
Anhand der Störung, die nacheinander in den global verteilten Magnetometern auftreten würden, müsste das Signal eines bosonischen Feldes von Axionen sich als Störung nachweisen lassen. „Erst wenn wir die Signale aller Stationen abgleichen, können wir beurteilen, was die Störung ausgelöst hat“, erklärt Masia-Roig.
Bei den bisher erfolgten vorläufigen Messungen mit neun der 14 Magnetometer konnten bisher keine Störungen durch Axion-artigen Teilchen entdeckt werden. Zwischen 2017 und 2020 erfolgten vier Suchläufe im Energiebereich bis zu 400.000 Gigaelektronenvolt. Weil dabei keine relevanten Signale entdeckt wurden, konnte der Bereich, in dem solche Teilchen vorkommen könnten, laut den Physiker weiter eingeschränkt werden.
Verbesserungen des GNOME-Netzwerks und der Analyse der Daten sollen in Zukunft längere Dauermessungen erlauben. Dies ist entscheidend, um auch Signale suchen zu können, die für mehr als eine Stunde auftreten. Überdies sollen Edelgase die alten Alkali-Atome in den Messgeräten ersetzten. Diese Schritte sollen gemeinsam eine höhere Sensitivität ermöglichen.
Nature Physics, doi: 10.1038/s41567-021-01393-y
