(Main) eine Illustration der dunklen Materie im Herzen der Milchstraße (inset) ein superkaltes Quantenexperiment zur Suche nach dieser schwer fassbaren Materie.(Bildnachweis: Mattia Di Mauro (ESO/Fermi-Lat)/Lancaster University)
Die Jagd nach dunkler Materie wird bald noch viel cooler werden. Wissenschaftler entwickeln superkalte Quantentechnologie, um nach der schwer fassbaren und mysteriösen Materie des Universums zu suchen, die derzeit eines der größten Rätsel der Wissenschaft darstellt.
Trotz der Tatsache, dass die dunkle Materie die Menge der gewöhnlichen Materie in unserem Universum um das Sechsfache übersteigt, wissen die Wissenschaftler nicht, woraus sie besteht. Das liegt zumindest teilweise daran, dass kein von der Menschheit entwickeltes Experiment in der Lage war, sie zu entdecken.
Um dieses Rätsel zu lösen, haben sich Wissenschaftler mehrerer britischer Universitäten zu einem Team zusammengeschlossen, um zwei der empfindlichsten Detektoren für dunkle Materie zu bauen, die je erdacht wurden. Jedes Experiment wird nach einem anderen hypothetischen Teilchen suchen, das die dunkle Materie ausmachen könnte. Obwohl die Teilchen einige gleiche Eigenschaften haben, weisen sie auch einige radikal unterschiedliche Merkmale auf, so dass unterschiedliche Nachweisverfahren erforderlich sind.
Die in beiden Experimenten verwendeten Geräte sind so empfindlich, dass die Komponenten auf ein Tausendstel Grad über dem absoluten Nullpunkt abgekühlt werden müssen, der theoretischen und unerreichbaren Temperatur, bei der alle atomaren Bewegungen zum Stillstand kommen würden. Diese Abkühlung ist notwendig, um zu verhindern, dass Störungen oder „Rauschen“ aus der Außenwelt die Messungen verfälschen.
„Wir setzen Quantentechnologien bei ultratiefen Temperaturen ein, um die bisher empfindlichsten Detektoren zu bauen“, sagte Teammitglied Samuli Autti von der Lancaster University in einer Erklärung. „Das Ziel ist es, diese mysteriöse Materie direkt im Labor zu beobachten und eines der größten Rätsel der Wissenschaft zu lösen.“
Inhaltsübersicht
Wie die dunkle Materie die Wissenschaftler im Regen stehen lässt
Die dunkle Materie stellt für die Wissenschaftler ein großes Problem dar, denn obwohl sie etwa 80 bis 85 % des Universums ausmacht, bleibt sie für uns praktisch unsichtbar. Das liegt daran, dass dunkle Materie nicht mit Licht oder „gewöhnlicher“ Materie wechselwirkt – und wenn doch, dann sind diese Wechselwirkungen selten oder sehr schwach. Oder vielleicht beides. Wir wissen es einfach nicht.
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Auf Grund dieser Eigenschaften wissen die Wissenschaftler jedoch, dass die dunkle Materie nicht aus Elektronen, Protonen und Neutronen bestehen kann – allesamt Teilchen aus der Familie der Baryonen, aus denen die alltägliche Materie in Dingen wie Sternen, Planeten, Monden, unseren Körpern, Eiscreme und der Katze von nebenan besteht. All die „normalen“ Dinge, die wir sehen können.
Der einzige Grund, warum wir glauben, dass dunkle Materie überhaupt existiert, ist, dass diese mysteriöse Substanz eine Masse hat. Daher interagiert sie mit der Schwerkraft. Durch diese Wechselwirkung kann die dunkle Materie die Dynamik der gewöhnlichen Materie und des Lichts beeinflussen, so dass auf ihre Existenz geschlossen werden kann.
Die Astronomin Vera Rubin entdeckte das Vorhandensein der dunklen Materie, die zuvor von dem Wissenschaftler Fritz Zwicky theoretisiert worden war, weil sie einige Galaxien sah, die sich so schnell drehten, dass sie auseinanderflogen, wenn ihr Gravitationseinfluss nur von der sichtbaren, baryonischen Materie ausging. Was die Wissenschaftler wirklich wollen, ist jedoch keine Schlussfolgerung, sondern ein positiver Nachweis von Teilchen der dunklen Materie.
Ein zusammengesetztes Bild des Bullet Clusters, kollidierender Galaxienhaufen, die als einer der Hauptbeweise für die Existenz dunkler Materie dienen (Bildnachweis: X-ray: NASA/ CXC/ CfA/ M.Markevitch, Optische Karte und Lensing: NASA/STScI, Magellan/ U.Arizona/ D.Clowe, Lensing-Karte: ESO/WFI)
Eines der hypothetischen Teilchen, das derzeit als Hauptverdächtiger für dunkle Materie gehandelt wird, ist das sehr leichte „Axion“. Wissenschaftler stellen auch die Theorie auf, dass die dunkle Materie aus massiveren (noch unbekannten) neuen Teilchen bestehen könnte, deren Wechselwirkungen so schwach sind, dass wir sie noch nicht beobachtet haben.
Sowohl Axionen als auch diese unbekannten Teilchen würden ultraschwache Wechselwirkungen mit der Materie zeigen, die theoretisch mit ausreichend empfindlichen Geräten nachgewiesen werden könnten. Aber zwei Hauptverdächtige bedeuten zwei Untersuchungen und zwei Experimente. Dies ist notwendig, weil sich die derzeitige Suche nach dunkler Materie in der Regel auf Teilchenmassen konzentriert, die zwischen dem 5- und 1.000-fachen der Masse eines Wasserstoffatoms liegen. Das heißt, wenn die Teilchen der dunklen Materie leichter sind, werden sie möglicherweise übersehen.
Das QUEST-DMC-Experiment (Quantum Enhanced Superfluid Technologies for Dark Matter and Cosmology) soll gewöhnliche Materie aufspüren, die mit Teilchen der dunklen Materie kollidiert, und zwar in Form von unbekannten neuen Teilchen mit schwacher Wechselwirkung, deren Masse zwischen 1 % und dem Mehrfachen der Masse eines Wasserstoffatoms liegt. QUEST-DMC verwendet supraflüssiges Helium-3, ein leichtes und stabiles Helium-Isotop mit einem Kern aus zwei Protonen und einem Neutron, das in einen makroskopischen Quantenzustand abgekühlt ist, um eine rekordverdächtige Empfindlichkeit beim Aufspüren ultraschwacher Wechselwirkungen zu erreichen.
Ein supercooles Quantenexperiment zum Nachweis dunkler Materie wird in einem Kühlschrank vorbereitet, der es auf ein Tausendstel Grad abkühlt (Bildnachweis: https://www.lancaster.ac.uk/physics/outreach/royal-society-summer-science-exhibition/)
QUEST-DMC wäre jedoch nicht in der Lage, extrem leichte Axionen aufzuspüren, von denen man annimmt, dass sie milliardenfach leichter sind als ein Wasserstoffatom. Das bedeutet auch, dass solche Axionen durch ihre Wechselwirkung mit gewöhnlichen Materieteilchen nicht nachweisbar wären.
Doch was ihnen an Masse fehlt, machen Axionen angeblich durch ihre Anzahl wett, wobei diese hypothetischen Teilchen extrem häufig vorkommen sollen. Das bedeutet, dass es besser ist, nach diesen Verdächtigen der dunklen Materie mit einer anderen Signatur zu suchen: dem winzigen elektrischen Signal, das aus dem Zerfall von Axionen in einem Magnetfeld resultiert.
Wenn es ein solches Signal gibt, müsste man die Detektoren bis zur maximalen, nach den Regeln der Quantenphysik zulässigen Empfindlichkeit ausreizen, um es zu entdecken. Das Team hofft, dass sein Quantenverstärker QSHS (Quantum Sensors for the Hidden Sector) dazu in der Lage ist.
Wenn Sie in Großbritannien sind, kann die Öffentlichkeit sowohl die QSHS- als auch die QUEST-DMC-Experimente im Rahmen der Summer Science Exhibition der Universität Lancaster besichtigen. Die Besucher können auch sehen, wie Wissenschaftler mit Hilfe eines Kreisels in einer Box, der sich aufgrund eines unsichtbaren Drehimpulses seltsam bewegt, auf das Vorhandensein dunkler Materie in Galaxien schließen.
Außerdem gibt es in der Ausstellung einen beleuchteten Verdünnungskühlschrank, der die für die Quantentechnologie erforderlichen ultratiefen Temperaturen veranschaulicht, während das Modell eines Teilchenkollisionsdetektors für dunkle Materie zeigt, wie sich unser Universum verhalten würde, wenn dunkle Materie mit Materie und Licht genauso interagieren würde wie gewöhnliche Materie.
Die Arbeiten des Teams zu den Experimenten QSHS und QUEST-DMC wurden in der Zeitschrift The European Physical Journal C und auf der Website arXiv veröffentlicht.
