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Neue Methode der Atomspektroskopie

Auf der Suche nach dem Dunkle-Materie-Tiger

| Autor/ Redakteur: Dr. Renée Dillinger-Reiter* / Christian Lüttmann

Ob man es mit der Nadel im Heuhaufen oder dem Tiger in der Wüste vergleicht – die Suche nach Dunkler Materie ist ein schwieriges Unterfangen. Nun haben Mainzer Physiker eine Methode entwickelt, die den Suchbereich weiter eingrenzen kann. Dabei spielen Laserstrahlen und Cäsiumdampf eine wichtige Rolle.

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Hubble-Aufnahme des Galaxie-Clusters CL0024+17: Eine Analyse der Gravitationseffekte legt nahe, dass ein Ring aus dunkler Materie um dieses Cluster liegen muss. Im Bild wurde er nachträglich in diffusem Blau hineingerechnet (Symbolbild).
Hubble-Aufnahme des Galaxie-Clusters CL0024+17: Eine Analyse der Gravitationseffekte legt nahe, dass ein Ring aus dunkler Materie um dieses Cluster liegen muss. Im Bild wurde er nachträglich in diffusem Blau hineingerechnet (Symbolbild).
(Bild: NASA, ESA, M. J. Jee and H. Ford et al. (Johns Hopkins Univ.))

Mainz – Die Suche nach Dunkler Materie ist eine der größten Herausforderungen der Grundlagenphysik des 21. Jahrhunderts. Forscher wissen seit Langem, dass es sie geben muss, denn ohne sie lassen sich viele astrophysikalische Beobachtungen nicht erklären. Beispielsweise bewegen sich die Sterne weit schneller, als sie es tun dürften, wenn nur „normale“ Materie existieren würde. Doch ein direkter Nachweis von Dunkel-Materie-Teilchen steht noch auch.

Insgesamt macht die uns bekannte sichtbare Materie nur maximal 20 Prozent der gesamten Materie im Universum aus – der Rest ist der Dunklen Materie zuzurechnen. „Es steht sinnbildlich ein großer Elefant im Raum – und wir sehen ihn nicht“, sagt Prof. Dr. Dmitry Budker von der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) und dem Helmholtz-Institut Mainz (HIM).

Bisher weiß jedoch niemand, woraus die Dunkle Materie besteht. In der Fachwelt wird eine ganze Reihe möglicher Teilchen diskutiert und erforscht, die als Kandidaten in Frage kommen. Als besonders vielversprechend gelten heute extrem leichte bosonische Teilchen. „Diese können wir auch als klassisches Feld ansehen, das mit einer bestimmten Frequenz oszilliert. Wie groß diese – und demzufolge die Masse der Teilchen – ist, wissen wir aber nicht“, erklärt Budker. „Unsere Grundannahme ist, dass dieses Dunkle-Materie-Feld an die sichtbare Materie ankoppelt und dabei bestimmte, eigentlich konstante Eigenschaften der Atome sehr subtil verändert.“

Cäsium-Dampf als Dunkle-Materie-Indikator?

Mit seiner Mainzer Arbeitsgruppe hat Budker nun eine neue Methode entwickelt, um der Natur der Dunklen Materie auf die Schliche zu kommen. Sie beruht auf der Atomspektroskopie und beobachtet einen Dampf aus Cäsium-Atomen. Die Atome lassen sich mit Laserlicht einer ganz bestimmten Wellenlänge anregen. Diese Wellenlänge sollte sich minimal verändern, sobald der Cäsium-Dampf an ein Feld aus Dunkle-Materie-Teilchen ankoppelt.

„Grundsätzlich liegt unserer Arbeit immer ein spezielles theoretisches Modell zugrunde, dessen Hypothesen wir experimentell überprüfen“, sagt der Erstautor der publizierten Studie, Dr. Dionysis Antypas. „Hier arbeiten wir mit dem so genannten Relaxion-Modell, das unsere Kollegen und Ko-Autoren am Weizmann Institut in Israel entwickelt haben.“ Die Relaxion-Theorie besagt, dass es in der Nähe großer Massen wie der Erde einen Bereich geben muss, in dem die Dichte an Dunkler Materie größer und demzufolge die Kopplungseffekte einfacher zu beobachten und aufzuspüren sind.

Den Tiger in der Wüste finden

Mit ihrer neuen Methode haben die Wissenschaftler jetzt einen bisher unerforschten Frequenzbereich zugänglich gemacht, in dem sich im Rahmen der Relaxion-Theorie die Auswirkungen bestimmter Formen der Dunklen Materie auf die atomaren Eigenschaften des Cäsiums verhältnismäßig deutlich zeigen sollten.

Auch erlauben die Ergebnisse den Forschern, neue Einschränkungen in Bezug auf die Natur dieser Dunklen Materie zu formulieren. Wobei Prof. Dr. Dmitry Budker die akribische Spurensuche gern mit dem Bild des Tigers in der Wüste veranschaulicht. „In dem Frequenzbereich, den wir in unserer aktuellen Arbeit durchsucht haben, hat sich die Dunkle Materie bisher nicht zu erkennen gegeben – aber immerhin wissen wir nun, nachdem wir diesen Bereich durchkämmt haben, dass wir dort nicht weitersuchen müssen.“ Übertragen auf den Tiger bedeutet das, dass die Forscher zwar immer noch nicht wissen, in welchem Teil der Wüste der Tiger ist, aber sehr wohl, in welchem Teil er nicht ist. „So grenzen wir den Teil der Wüste, in dem der Tiger sein kann, immer weiter ein. Und irgendwann werden wir ihn auf diese Weise finden“, ist Budker überzeugt.

Originalpublikation: D. Antypas et al.: Scalar Dark Matter in the Radio-Frequency Band: Atomic-Spectroscopy Search Results, Physical Review Letters 123, 141102 (2019); DOI:10.1103/PhysRevLett.123.141102

* Dr. R. Dillinger-Reiter, Johannes Gutenberg-Universität Mainz, 55099 Mainz

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