Kernuhren zum Nachweis Dunkler Materie

Wie Forschende in einer neuen Arbeit untersucht haben, könnte sich mit Kernuhren durch die kleinsten Unregelmäßigkeiten in ihrem Ticken den Einfluss der dunklen Materie aufzeigen lassen. Letztes Jahr gelang Physikern in Deutschland und Colorado ein Durchbruch auf dem Weg zum Bau einer solchen Uhr, die das radioaktive Element Thorium-229 verwendet. Als Forschende in der Gruppe für theoretische Physik von Gilad Perez am Weizmann Institute of Science von diesem Erfolg erfuhren, erkannten sie eine neue Möglichkeit, die Suche nach dunkler Materie voranzutreiben, noch bevor eine voll funktionsfähige Kernuhr Realität wird. In Zusammenarbeit mit dem deutschen Team sie kürzlich eine neuartige Methode zum Nachweis des Einflusses der dunklen Materie auf die Eigenschaften des Thorium-229-Kerns.

„Wir brauchen noch, um eine funktionierende Kernuhr zu entwickeln“, sagt Perez, „aber wir haben jetzt bereits eine Möglichkeit gefunden, damit später Dunkle Materie zu untersuchen.“ Er erklärt: „In einem Universum, das nur aus sichtbarer Materie besteht, würden die physikalischen Bedingungen und das Absorptionsspektrum eines jeden Materials konstant bleiben. Da uns aber dunkle Materie umgibt, kann ihre wellenartige Natur die Masse von Atomkernen subtil verändern und vorübergehende Verschiebungen in ihrem Absorptionsspektrum verursachen. Wir stellten die Hypothese auf, dass die Fähigkeit, winzige Abweichungen im Absorptionsspektrum von Thorium-229 mit großer Präzision zu erkennen, den Einfluss der Dunklen Materie aufdecken und uns helfen könnte, ihre Eigenschaften zu untersuchen.“

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Erhellende Anregung

Theoretische Berechnungen des Teams unter der Leitung von Wolfram Ratzinger aus der Gruppe von Perez und anderen Postdoktoranden zeigten, dass die neuen Messungen den Einfluss der dunklen Materie selbst dann nachweisen könnten, wenn sie 100 Millionen Mal schwächer wäre als die Schwerkraft, eine Kraft, die selbst schwach ist und über die wir im Alltag nur selten nachdenken. „Dies ist ein Bereich, in dem noch niemand nach dunkler Materie gesucht hat“, sagt Ratzinger. „Unsere Berechnungen zeigen, dass es nicht ausreicht, nur nach Verschiebungen in der Resonanzfrequenz zu suchen. Wir müssen Veränderungen im gesamten Absorptionsspektrum feststellen, um die Wirkung der dunklen Materie zu erkennen. Obwohl wir diese Veränderungen noch nicht gefunden haben, haben wir die Grundlagen geschaffen, um sie zu verstehen, wenn sie auftreten. Sobald wir eine Abweichung feststellen, können wir anhand ihrer Intensität und der Häufigkeit, mit der sie auftritt, die Masse des verantwortlichen Teilchens der dunklen Materie berechnen. Im weiteren Verlauf der Studie haben wir auch berechnet, wie verschiedene Modelle dunkler Materie das Absorptionsspektrum von Thorium-229 beeinflussen würden. Wir hoffen, auf diese Weise feststellen zu können, welche Modelle zutreffend sind und woraus die dunkle Materie tatsächlich besteht.

In der Zwischenzeit arbeiten Labors auf der ganzen Welt weiter daran, die Messung der Resonanzfrequenz von Thorium-229 zu verfeinern, ein Prozess, der voraussichtlich Jahre dauern wird. Wenn eine Atomuhr schließlich entwickelt wird, könnte sie viele Bereiche revolutionieren, darunter die Erd- und Weltraumnavigation, die Kommunikation, die Verwaltung der Stromnetze und die wissenschaftliche Forschung. Die derzeit genauesten Zeitmessgeräte sind Atomuhren, die auf der Schwingung von Elektronen zwischen zwei Quantenzuständen beruhen. Sie sind hochpräzise, haben aber einen entscheidenden Nachteil: Sie sind anfällig für elektrische Störungen aus der Umgebung, die ihre Konsistenz beeinträchtigen können. Atomkerne hingegen sind weit weniger anfällig für solche Störungen.

„Wenn es um Dunkle Materie geht“, sagt Perez, „wäre eine Kernuhr auf Thorium-229-Basis der ultimative Detektor. Im Moment schränken elektrische Interferenzen unsere Möglichkeiten ein, Kernuhren für die Suche zu nutzen. Aber mit einer Kernuhr könnten wir unglaublich geringe Abweichungen in ihrem Ticken feststellen – das heißt, winzige Verschiebungen in der Resonanzfrequenz – die den Einfluss der Dunklen Materie aufzeigen könnten. Wir schätzen, dass wir damit Kräfte aufspüren können, die 10 Billionen Mal schwächer sind als die Schwerkraft, und damit eine 100.000 Mal bessere Auflösung haben als die, die wir derzeit bei der Suche nach dunkler Materie haben.“ [WIS / dre]