Unsichtbare Dunkle Materie in sichtbares Licht verwandeln

Die Erforschung der Dunklen Materie schreitet mit neuen experimentellen Techniken zum Nachweis von Axionen voran und nutzt fortschrittliche Technologie und interdisziplinäre Zusammenarbeit, um die Geheimnisse dieser schwer fassbaren Komponente des Kosmos aufzudecken.

Ein Geist spukt durch unser Universum. Dies ist in der Astronomie und Kosmologie seit Jahrzehnten bekannt. Beobachtungen deuten darauf hin, dass etwa 85 % aller Materie im Universum geheimnisvoll und unsichtbar ist. Diese beiden Eigenschaften spiegeln sich in ihrem Namen wider: Dunkle Materie.

Mehrere Experimente zielten darauf ab, herauszufinden, woraus es besteht, aber trotz jahrzehntelanger Suche sind die Wissenschaftler nicht weitergekommen. Jetzt unser neues Experiment, im Aufbau bei Yale Universität in den USA bietet eine neue Taktik an.

Dunkle Materie umgibt seit jeher das Universum und zieht Sterne und Galaxien zusammen. Unsichtbar und subtil, scheint es nicht mit Licht oder anderen Arten von Materie zu interagieren. Tatsächlich muss es etwas völlig Neues sein.

Das Standardmodell der Teilchenphysik ist unvollständig, und das ist ein Problem. Wir müssen nach neuen Elementarteilchen suchen. Überraschenderweise geben die gleichen Mängel des Standardmodells wertvolle Hinweise darauf, wo sie verborgen sein könnten.

Das Problem mit dem Neutron

Nehmen wir zum Beispiel das Neutron. Zusammen mit dem Proton bildet es den Atomkern. Obwohl die Theorie insgesamt neutral ist, besagt sie, dass sie aus drei geladenen Teilchen besteht, die Quarks genannt werden. Aus diesem Grund würden wir erwarten, dass einige Teile des Neutrons positiv und andere negativ geladen sind – das würde bedeuten, dass es das hat, was Physiker ein elektrisches Dipolmoment nennen.

Doch viele Versuche, es zu messen, führten zum gleichen Ergebnis: Es ist zu klein, um entdeckt zu werden. Ein weiterer Geist. Dabei handelt es sich nicht um instrumentelle Unzulänglichkeiten, sondern um einen Parameter, der kleiner als ein Teil von zehn Milliarden sein muss. Es ist so winzig, dass man sich fragt, ob es überhaupt Null sein könnte.

In der Physik ist die mathematische Null jedoch immer eine starke Aussage. In den späten 70er Jahren versuchten die Teilchenphysiker Roberto Peccei und Helen Quinn (und später Frank Wilczek und Steven Weinberg), Theorie und Beweise miteinander in Einklang zu bringen.

Sie schlugen vor, dass der Parameter möglicherweise nicht Null ist. Vielmehr handelt es sich um eine dynamische Größe, die nach der Zeit langsam ihre Ladung verliert und sich auf Null entwickelt Urknall. Theoretische Berechnungen zeigen, dass, wenn ein solches Ereignis eingetreten wäre, eine Vielzahl leichter, heimtückischer Teilchen zurückgeblieben sein müssten.

Diese wurden nach einer Waschmittelmarke „Axionen“ genannt, weil sie das Neutronenproblem „klären“ konnten. Und noch mehr. Wenn Axionen im frühen Universum erschaffen wurden, sind sie seitdem im Umlauf. Am wichtigsten ist, dass ihre Eigenschaften alle Erwartungen an Dunkle Materie erfüllen. Aus diesen Gründen sind Axionen zu einem der beliebtesten Kandidatenteilchen für Dunkle Materie geworden.

Axionen würden nur schwach mit anderen Teilchen interagieren. Dies bedeutet jedoch, dass sie immer noch ein wenig interagieren würden. Die unsichtbaren Axionen könnten sich sogar in gewöhnliche Teilchen verwandeln, darunter – ironischerweise – Photonen, die eigentliche Essenz des Lichts. Dies kann unter bestimmten Umständen passieren, beispielsweise bei Vorhandensein eines Magnetfelds. Das ist ein Glücksfall für Experimentalphysiker.

Experimentelles Design

Bei vielen Experimenten wird versucht, den Axion-Geist in der kontrollierten Umgebung eines Labors hervorzurufen. Einige zielen beispielsweise darauf ab, Licht in Axionen umzuwandeln und diese dann auf der anderen Seite einer Wand wieder in Licht umzuwandeln.

Der derzeit empfindlichste Ansatz zielt mit einem Gerät namens Haloskop auf den Halo aus dunkler Materie ab, der die Galaxie (und damit die Erde) durchdringt. Es handelt sich um einen leitenden Hohlraum, der in ein starkes Magnetfeld eingetaucht ist. Ersteres fängt die uns umgebende dunkle Materie ein (vorausgesetzt, es handelt sich um Axionen), während letzteres die Umwandlung in Licht induziert. Das Ergebnis ist ein elektromagnetisches Signal, das im Inneren des Hohlraums erscheint und mit einer charakteristischen Frequenz schwingt, die von der Axionmasse abhängt.

Das System funktioniert wie ein Empfangsradio. Es muss richtig eingestellt werden, um die Frequenz abzufangen, die uns interessiert. In der Praxis werden die Abmessungen des Hohlraums geändert, um verschiedene charakteristische Frequenzen zu berücksichtigen. Wenn die Frequenzen des Axions und des Hohlraums nicht übereinstimmen, ist das so, als würde man ein Radio auf den falschen Kanal einstellen.

Der starke Magnet wird in das Labor in Yale gebracht. Bildnachweis: Yale University

Welchen Kanal wir suchen, lässt sich leider nicht im Voraus vorhersagen. Wir haben keine andere Wahl, als alle potenziellen Frequenzen zu scannen. Es ist, als würde man einen Radiosender in einem Meer aus weißem Rauschen – einer Nadel im Heuhaufen – mit einem alten Radio auswählen, das jedes Mal, wenn wir den Frequenzknopf drehen, größer oder kleiner werden muss.

Doch das sind nicht die einzigen Herausforderungen. Die Kosmologie weist darauf hin, dass Dutzende Gigahertz die neueste, vielversprechende Grenze für die Axion-Suche sind. Da höhere Frequenzen kleinere Hohlräume erfordern, wären für die Erkundung dieser Region Hohlräume erforderlich, die zu klein sind, um eine sinnvolle Signalmenge zu erfassen.

Neue Experimente versuchen, alternative Wege zu finden. Unser Axion Longitudinal Plasma Haloskop (Alpha)-Experiment verwendet ein neues Hohlraumkonzept, das auf basiert Metamaterialien.

Metamaterialien sind Verbundmaterialien mit globalen Eigenschaften, die sich von denen ihrer Bestandteile unterscheiden – sie sind mehr als die Summe ihrer Teile. Ein mit leitfähigen Stäben gefüllter Hohlraum erhält eine charakteristische Frequenz, als wäre er eine Million Mal kleiner, während er sein Volumen kaum verändert. Genau das brauchen wir. Darüber hinaus verfügen die Stäbe über ein integriertes, einfach einstellbares Stimmsystem.

Wir bauen derzeit das Setup auf, das in einigen Jahren für die Datenerfassung bereit sein wird. Die Technologie ist vielversprechend. Seine Entwicklung ist das Ergebnis der Zusammenarbeit von Festkörperphysikern, Elektrotechnikern, Teilchenphysikern und sogar Mathematikern.

Obwohl sie so schwer zu fassen sind, treiben Axionen einen Fortschritt voran, den kein Geist jemals zunichtemachen kann.

Geschrieben von Andrea Gallo Rosso, Postdoktorandin für Physik, Universität Stockholm.

Adaptiert aus einem Artikel, der ursprünglich in The Conversation veröffentlicht wurde.