Dunkle Materie bleibt dunkel

Kann dunkle Materie mit Photonen wechsel­wirken und die Atomstruktur beeinflussen? Ein Fall für optische Atomuhren: Zwei verschiedene Typen von ihnen wurden an der Physikalisch-technischen Bundes­anstalt verglichen. Es ist die bisher genaueste Suche nach einer Wechsel­wirkung von ultra­leichter dunkler Materie mit Photonen. Bestehende experi­mentelle Nachweis­grenzen für eine mögliche Kopplung wurden durch die Arbeit um mehr als eine Größen­ordnung verbessert – über einen weiten Bereich möglicher Massen der dunklen Materie-Teilchen. Deren Beschaffen­heit und mögliche Wechsel­wirkungen konnten damit weiter eingegrenzt werden, auch wenn noch kein entsprechender Nachweis gelungen ist.

Ein besonders vielversprechender theoretischer Ansatz besagt, dass dunkle Materie aus Teilchen bestehen könnte, die extrem leicht sind und sich nicht wie einzelne Teilchen, sondern wie eine Welle verhalten. Bei dieser ultra­leichten dunklen Materie würden bisher unentdeckte, schwache Wechsel­wirkungen der dunklen Materie mit Photonen zu kleinsten Oszilla­tionen der Feinstruktur­konstanten führen. Sie legt die atomaren Energie­skalen fest und beeinflusst damit auch die Übergangs­frequenzen, die in Atomuhren als Referenz genutzt werden. Da verschiedene Übergänge unter­schiedlich empfindlich auf mögliche Änderungen der Konstanten reagieren, können Vergleiche von Atomuhren für die Suche nach ultra­leichter dunkler Materie genutzt werden. Zu diesem Zweck haben Forscher der PTB erstmals eine Atomuhr, die besonders empfindlich gegenüber möglichen Änderungen der Feinstruktur­konstanten ist, in einer solchen Suche eingesetzt.

Dafür wurde diese besonders sensitive Atomuhr mit zwei anderen Atomuhren von geringerer Sensitivität über mehrere Monate in Messungen verglichen. In den resul­tie­renden Messdaten wurden Oszillationen gesucht – die Signatur der ultra­leichten dunklen Materie. Da keine signifikanten Oszillationen gefunden wurden, blieb dunkle Materie auch bei genauerer Unter­suchung dunkel. Eine Detektion der rätsel­haften dunklen Materie ist demnach nicht gelungen. Durch die Abwesenheit eines Signals konnten neue experi­mentelle Obergrenzen für die Größe einer möglichen Kopplung von ultra­leichter dunkler Materie an Photonen gefunden werden. Bisherige Limits wurden in einem weiten Bereich um mehr als eine Größen­ordnung verbessert.

Gleichzeitig gingen die Forscher auch der Frage nach, ob sich die Feinstruktur­konstante nicht doch im Laufe der Zeit verändert, indem ihr Wert zum Beispiel sehr langsam zu- oder abnimmt. Eine solche Änderung wurde in den Daten nicht detektiert. Auch hier wurden bestehende Limits verschärft – die Konstante bleibt demnach auch über lange Zeiten konstant.

Im Gegensatz zu bisherigen Uhren­ver­gleichen, bei denen jede Atomuhr ein eigenes experi­mentelles System benötigte, wurden in dieser Arbeit zwei der drei Atomuhren in einem einzigen experi­mentellen Aufbau realisiert. Dafür wurden zwei unter­schiedliche Übergangs­frequenzen eines einzelnen, gefangenen Ions verwendet: Das Ion wurde abwechselnd auf den beiden optischen Übergängen abgefragt. Damit ist ein wichtiger Schritt gelungen, um optische Frequenz­vergleiche noch kompakter und robuster zu gestalten – zum Beispiel für eine zukünftige Suche nach dunkler Materie im Weltall.

PTB / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  M. Filzinger et al.: Improved Limits on the Coupling of Ultralight Bosonic Dark Matter to Photons from Optical Atomic Clock Comparisons, Phys. Rev. Lett. 130, 253001 (2023); DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.253001
• AG Optische Uhren mit gespeicherten Ionen (N. Huntemann), Physikalisch-technischen Bundesanstalt, Braunschweig

Weitere Beiträge

• Der dunklen Materie auf der Schliche (Pro-physik.de Nachrichten, 22. Juni 2023)
• Neue Suche nach dunkler Materie gestartet (Pro-physik.de, 24. Mai 2023)
• Schwerpunkt: Dunkle Materie, Physik Journal, November 2019