Dunkle Materie: Milliarden Mikropendel als Sensoren?

Gravitation als Fahndungshelfer: Eine neue Art Detektor könnte den Teilchen der Dunklen Materie auf die Spur kommen. Er bestünde aus einer Milliarde winzige Pendel oder fallender Messkügelchen. Fliegt ein Dunkle-Materie-Teilchen an ihnen vorbei, werden sie abgelenkt. Anders als alle bisherigen Experimente weist ein solcher Detektor die Dunklen-Materie-Teilchen über die einzige Eigenschaft nach, die sie definitiv besitzen: ihre Schwerkraftwirkung auf die normale Materie.

Noch immer ist völlig unklar, woraus die Dunkle Materie besteht. Denn keinem Detektor oder Experiment ist es bislang gelungen, ihre Teilchen nachzuweisen. Der Grund dafür: Obwohl diese unsichtbare Materieform überall vorkommt – auch in unserer Milchstraße und in unserem Sonnensystem – interagiert sie kaum mit der normalen Materie – und damit auch nicht mit Detektoren. Einzig ihre Schwerkraftwirkung verrät ihre Existenz.

Nachweis über die Schwerkraftwirkung

Genau an diesem Punkt setzen nun Daniel Carney vom Joint Quantum Institute in Maryland und sein Team an. Sie schlagen vor, die Dunkle Materie über ihre Gravitationswirkung zu „überführen“. Während bisherige Detektoren die Dunkle-Materie-Teilchen über Kollisionen mit Atomen oder in starken Magnetfeldern freigesetzte Lichtblitze suchen, reagiert ihr neuer Detektor direkt auf die winzige Anziehungskraft, die ein vorüberfliegendes Teilchen der Dunklen Materie ausübt.

„Unser Vorschlag ist es, eine dreidimensionale Anordnung von Kraftsensoren zu bauen“, erklären die Forscher. „Wenn dann ein schweres Teilchen der Dunklen Materie durch diesen Detektor fliegt, übt es eine geringe, aber korrelierte Kraft auf die seiner Bahn am nächsten liegenden Sensoren aus. Wie in einer Blasenkammer können wir dann dieses Signal entlang seiner Spur verfolgen.“ Der Vorteil: Störsignale durch kosmische Strahlung oder Erschütterungen erzeugen kein solches gerichtetes Signale und können daher leicht erkannt werden.

Ultrakalte Mini-Spiegel…

Konkret könnte ein solcher Detektor auf zweierlei Weise realisiert werden. In beiden Fällen müssten rund eine Milliarde winziger mechanischer Sensoren auf rund einem Kubikmeter Raum konzentriert und stark heruntergekühlt werden. Zum einen könnten diese Minisensoren ähnlich wie bei den Gravitationswellendetektoren von LIGO aus winzigen Spiegeln bestehen, deren Position und Auslenkung mittels Laserlicht hochgenau erfasst wird.

Störeffekte durch seismische Erschütterungen oder das allgegenwärtige „Quantenrauschen“ könnten bei einer solche Anlage ähnlich wie bei LIGO beseitigt werden, wie Carney und sein Team erklären. Dort haben die Physiker das Laserlicht mit einer sogenannten Quantenpresse so manipuliert, dass der Störeffekt des Quantenrauschens auf die Lichtphase stark verringert wird. Durch dieses gequetschte Licht konnten sie sogar nachweisen, wie die schweren Messspiegel durch die Quantenfluktuationen bewegt werden.

…oder fallende Messkügelchen

Eine zweite Variante eines solchen Gravitationsdetektors für die Dunkle Materie könnte aus Milliarden von winzigen Kügelchen bestehen, die durch ein magnetisches Feld oder Laserlicht in der Schwebe gehalten werden. Für die eigentliche Messung wird dieses Feld abgeschaltet und die Kügelchen fallen nach unten. Wenn dann in diesem Moment ein Dunkle-Materie-Teilchen die fallenden Kügelchen passiert, müsste seien Anziehungskraft ihren Fallweg leicht verändern.

„Wir nutzen im Prinzip die Bewegung der Objekte als unser Signal“, erklärt Carneys Kollege Jacob Taylor. „Das unterscheidet beide Ansätze fundamental von allen Teilchendetektoren, mit denen bislang nach Dunkler Materie gesucht wird.“

Sensibel nur für schwere Teilchenkandidaten

Carney und sein Team haben ausgerechnet, dass diese neue Art Detektor sensibel genug wäre, um einen Massenbereich von Dunkle-Materie-Teilchen von etwa einem Fünftausendstel Gramm bis zu wenigen Milligramm abzudecken. „Wenn man das von uns vorgeschlagene Experiment baut, dann würde man entweder die Dunkle Materie nachweisen oder aber Teilchenkandidaten in einem großen Massenbereich ausschließen können“, erklärt Carney.

Allerdings: Dieser Massenbereich deckt nur Modelle mit relativ schweren Dunkle-Materie-Teilchen ab. Leichtere Kandidaten wie Axionen, exotische Neutrinos und selbst WIMPS wären damit nicht erfassbar. Insofern bleibt fraglich, ob der Aufwand lohnt, wenn dann ausgerechnet viele der favorisierten Teilchenkandidaten nicht eindeutig beweisen oder ausgeschlossen werden können. (Physical Review D, 2020; doi: 10.1103/PhysRevD.102.072003)

Quelle: National Institute of Standards and Technology (NIST)