05.11.2020

Ultraleichte Kandidaten für dunkle Materie

Exotische ultraleichte Felder könnten bei Ereignissen wie der Verschmelzung schwarzer Löcher in nachweisbarer Zahl entstehen.

Gewaltige astrophysikalische Ereignisse wie die Verschmelzung schwarzer Löcher könnten Energie in unerwarteter Form freisetzen. Exotische ultra­leichte Felder (ELFs) beispiels­weise könnten sich durch den Weltraum ausbreiten und schwache Signale verursachen, die mit Quanten­sensor­netzwerken, wie den Atomuhren des GPS-Netzwerks oder den Magnetometern des Gnome-Netzwerks, detektierbar sind. Das ist das Ergebnis theoretischer Berechnungen, die eine Forschungs­gruppe um Arne Wickenbrock vom Exzellenz­cluster Prisma+ der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) und dem Helmholtz-Institut Mainz (HIM) durch­geführt hat. Besonders interessant ist dieses Ergebnis mit Blick auf die Suche nach dunkler Materie – denn ultraleichte Felder gelten als aussichts­reiche Kandidaten für diese exotische Materieform.
 

Abb.: Die Fusion von schwarzen Löchern könnte Energie in Form von ELFs...
Abb.: Die Fusion von schwarzen Löchern könnte Energie in Form von ELFs freisetzen (l.u.). Deren schwache Signale könnten mit Quanten­sensor­netzwerken wie dem GPS-Netzwerk (rechts oben im Bild) nach­weisbar sein. (Bild: S. & H. Lilienthal)

Das Feld der Multi-Messenger-Astronomie erfährt seit dem erstmaligen Nachweis von Gravitations­wellen mit dem Ligo-Spektrometer vor wenigen Jahren eine enorme Popularität und liefert seitdem eine große Menge neuer Informationen aus den Tiefen des Universums. „Wenn irgendwo im Weltraum Gravitations­wellen ausgelöst und auf der Erde nachgewiesen werden, richten sich zahlreiche Teleskope auf dieses Ereignis, um unterschiedliche Signale – wie zum Beispiel elektromagnetische Strahlung – zu detektieren“, erläutert Arne Wickenbrock. „Unsere Ausgangs­frage war: Was wäre, wenn in den beobachteten Ereignissen ein Teil der freigesetzten Energie auch in Form sogenannter exotischer ultraleichter Felder (ELFs) abgestrahlt würde? Könnten wir diese dann mit existierenden Netzwerken von Quanten­sensoren detektieren?“

Die Antwort auf die Frage – das zeigen die Berechnungen der Wissenschaftler – ist ja. „Dazu haben wir uns überlegt, dass solche Felder, wenn sie abgestrahlt werden, ein charakteristisches Frequenz-Signal in den Netzwerken hervorrufen sollten“, erläutert Arne Wickenbrock. „Ähnlich eines vorbeifahrenden Martins­horns, das im Ton erst heller und dann dunkler wird.“ Zwei Netzwerke haben die Forscher dabei besonders im Blick: das weltweite GPS-Netzwerk aus Atomuhren und das Gnome-Netzwerk, das aus vielen über den Globus verteilten Magneto­metern besteht. Aufgrund der Stärke des zu erwartenden Signals sollte das GPS-System derzeit empfindlich genug sein, um ELFs zu detektieren. Das Gnome-Netzwerk sollte in einer späteren Ausbau­stufe, die im Moment zum Beispiel in der Arbeits­gruppe von JGU-Professor Dmitry Budker am HIM umgesetzt wird, ebenfalls empfindlich genug sein, um solche Ereignisse zu beobachten.

Potenzielle ELFs sind im Hinblick auf die Suche nach dunkler Materie von besonderer Bedeutung. Obwohl diese exotische Materie­form existieren muss, weiß bisher niemand, woraus sie besteht. In der Fachwelt wird eine ganze Reihe möglicher Teilchen, die als Kandidaten theoretisch in Frage kommen, diskutiert und erforscht. Als einer der viel­versprechendsten Kandidaten gelten heute extrem leichte bosonische Teilchen, die auch als klassisches Feld, das mit einer bestimmten Frequenz oszilliert, betrachtet werden können. „In den Tiefen des Universums kann also etwa bei der Verschmelzung zweier schwarzer Löcher dunkle Materie in Form von ELFs entstehen“, fasst Arne Wickenbrock zusammen. „Präzisions-Quantensensor­netzwerke wiederum könnten als ELF-Teleskope funktionieren und so den Werkzeug­kasten der Multi-Messenger-Astronomie um ein weiteres wichtiges Element erweitern.“ 

JGU / DE
 

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