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Gravimeter-Netzwerk soll verborgene Objekte finden Auf der Suche nach Dunkler Materie im Erdinnern

| Redakteur: Christian Lüttmann

Dunkle Materie gehört zu den berühmtesten verbleibenden Mysterien des Universums. Dabei könnte die Lösung dieses Rätsels möglicherweise näher liegen als gedacht: im Inneren der Erde. So suchen Mainzer Forscher derzeit in Gravitationsdaten nach Hinweisen auf verborgene Objekte, die im Erdinneren bisher unbemerkt hin und her schwingen könnten.

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„The Elephant in the room“: Illustration des Experimentaufbaus zur Suche nach verborgenen Objekten, z.B. Dunkler Materie, direkt unter unseren Füßen im Innern der Erde.
„The Elephant in the room“: Illustration des Experimentaufbaus zur Suche nach verborgenen Objekten, z.B. Dunkler Materie, direkt unter unseren Füßen im Innern der Erde.
(Bild: Nataniel L. Figueroa)

Mainz – Das Universum hat scheinbar mehr Masse, als es bekannte Materie gibt. Die Lösung könnte die noch nicht nachgewiesene Dunkle Materie sein, die keine bisher messbare Wechselwirkung mit der übrigen Materie zeigt, außer Gravitation über ihre Masse. Um die Dunkle Materie zu finden, verfolgt ein interdisziplinäres Forschungsteam nun einen neuen Ansatz. Prof. Dr. Dmitry Budker und Nataniel Figueroa von der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) und dem Helmholtz-Institut Mainz (HIM) haben dazu Daten aus dem globalen Netzwerk von Gravimetern des International Geodynamics and Earth Tide Service (IGETS) ausgewertet, um nach bisher unbekannten Signalen zu suchen, die möglicherweise einer neuen Materieform zuzuschreiben sind.

„Trotz vielfältigster Versuche ist es bis heute nicht gelungen, Dunkle Materie nachzuweisen, obwohl wir wissen, dass sie einen Großteil der Materie im Universum ausmacht“, sagt Budker. „Deshalb dürfen wir nichts unversucht lassen und müssen auch ungewöhnliche Perspektiven einnehmen und Ideen verfolgen.“ Konkret stellen sich die Forscher folgendes Szenario vor: Sie betrachten hypothetische verborgene Objekte, die im Innern der Erde gefangen sind und in der Nähe des Erdmittelpunkts mit einer bestimmten Frequenz hin und her schwingen.

Schwingen verborgene Objekte im Erdinnern?

Budker verdeutlicht die Idee hinter dem Szenario mit einem Gedankenexperiment: Man stelle sich einen Tunnel vor, der bis zum Erdmittelpunkt führt und auf der gegenüberliegenden Seite der Erde wieder an die Oberfläche gelangt. Würde man in diesen Tunnel einen Gegenstand werfen, so würde der Gegenstand in Richtung Erdmittelpunkt fallen und dabei durch die Gravitation zunächst immer weiter beschleunigt werden. Er würde am Erdmittelpunkt vorbeisausen und dann verlangsamt werden, bis er gerade die Erdoberfläche auf der gegenüberliegenden Seite erreicht, ehe er wieder Richtung Erdkern zurückgezogen wird. Der Gegenstand würde demnach eine Pendelbewegung mit einer bestimmten Frequenz ausüben.

Was mit gewöhnlicher Materie nur in der Theorie möglich ist, könnte bei schwach wechselwirkenden Objekten, wie sie die Forscher in ihrer Studie postulieren, auch in der Realität funktionieren. „Solche Objekte könnten diese Schwingungen auch ohne einen Tunnel im Innern der Erde ausführen“, sagt Budker. „Ähnlich wie Röntgenstrahlen oder das Licht einer Taschenlampe mitunter Materie fast ungehindert durchdringen können.“

Gravitationsdetektoren stellen Daten bereit

Die oben beschriebene Situation eines im Erdinnern pendelnden Objekts könnte also hypothetisch realisiert werden, wenn eine kleine Masse aus einer Art verborgener Materie – in der aktuellen Arbeit nennen die Forscher diese ein „verborgenes inneres Objekt“ (HIO) – besteht. Diese Materie wechselwirkt, wenn überhaupt, nur schwach außerhalb der Gravitation mit normaler Materie. Auch die lange gesuchte Dunkle Materie wechselwirkt mit gewöhnlicher Materie in erster Linie über die Schwerkraft. Wenn ein Teil dieser Dunklen Materie in der Erde durch Schwerkraft gebunden ist, könnte auch sie ein solches HIO bilden.

Dunkle Materie könnte eine wichtige Rolle bei Gravitationsphänomenen im Universum spielen.
Dunkle Materie könnte eine wichtige Rolle bei Gravitationsphänomenen im Universum spielen.
(Bild: NASA, ESA, M. J. Jee and H. Ford et al. (Johns Hopkins Univ.))

Zusammengenommen deutet dies auf ein verlockendes Szenario hin. „Vielleicht kann man das Vorhandensein eines solchen HIO durch empfindliche Messungen der Gravitationsbeschleunigung an der Oberfläche der Erde nachweisen“, spekuliert Mitautor Figueroa. „Dazu müssen wir kein eigenes Experiment aufbauen, denn diese Daten gibt es bereits, und sie sind öffentlich zugänglich. Sie stammen aus einem globalen Netzwerk von Gravimetern der Internationalen Geodynamics and Earth Tide Service (IGETS).“ Verteilt rund um die Erde messen Supraleitende Gravimeter (SGs) kontinuierlich zeitliche Gravitationsschwankungen mit hoher Präzision und Langzeitstabilität.

Dunkle Materie direkt zu unseren Füßen?

In ihrer aktuellen Arbeit nutzten die Forscher die Fourier-Analyse, um in den IGETS-Daten nach charakteristischen Spektrallinien zu suchen, die ein Hinweis für die Existenz von HIOs sein könnten – und damit unter Umständen gar von Dunkler Materie. In diesem Fall würde jedes Gravimeter im Netzwerk ein schwaches periodisches Signal bei einer charakteristischen Frequenz sehen, die von der Geometrie der Umlaufbahn des HIOs und dem Standort des Gravimeters abhängt.

Zwar finden die Forscher in ihrer ersten Analyse keine Hinweise auf HIOs – und damit auch nicht auf Dunkle Materie. Sie halten es jedoch für möglich, die Sensitivität der Suche um mehrere Größenordnungen zu verbessern – zum Beispiel durch ein besseres Verständnis der übrigen terrestrischen Signalquellen und eine fortgeschrittenere Datenanalyse. Darüber hinaus verfolgen aktuell zwei weitere Forschungsgruppen einen ähnlichen Ansatz, um im Innern der Erde nach Dunkler Materie zu suchen. „Wir haben mit unseren Kollegen Kontakt aufgenommen, um über eine künftige Zusammenarbeit zu sprechen“, sagt Budker. „Denn von einer Bündelung unserer Ressourcen und Ideen dürfte das Projekt mit Sicherheit profitieren.“

Originalpublikation: W. Hu et al.: A network of superconducting gravimeters as a detector of matter with feeble nongravitational coupling, The European Physical Journal D volume 74, Article number: 115 (2020); DOI:10.1140/epjd.e2020-10069-8

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