Weiteres Puzzleteil auf der Suche nach Dunkler Materie hinzugefügt

PRISMA+-Wissenschaftler berichten in Science Advances über neuestes Ergebnis aus dem CASPEr-Forschungsprogramm

29.10.2019

Auf der Suche nach Dunkler Materie haben Wissenschaftler um Prof. Dr. Dmitry Budker ihre Reihe an Experimenten innerhalb des Projekts "Cosmic Axion Spin Precession Experiment", kurz CASPEr, fortgesetzt. Das CASPEr-Team führt diese Experimente am Exzellenzcluster PRISMA+ der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) und am Helmholtz-Institut Mainz (HIM) durch. CASPEr ist ein internationales Forschungsprogramm, das mithilfe der Kernspinresonanz Dunkle Materie nachweisen und analysieren will.

Noch ist über die genaue Natur der Dunklen Materie wenig bekannt. Als vielversprechenden Kandidaten gelten heute extrem leichte bosonische Teilchen, etwa sogenannte Axionen, Axion-like Particles oder auch Dunkle Photonen. "Diese können wir als klassisches Feld ansehen, das mit einer bestimmten Frequenz oszilliert. Wie groß diese – und demzufolge die Masse der Teilchen – ist, wissen wir aber nicht", so Budker. "Deshalb durchsuchen wir in unserem CASPEr-Forschungsprogramm systematisch unterschiedliche Frequenzbereiche nach Hinweisen auf Dunkle Materie."

Das CASPEr-Team entwickelt dazu unterschiedliche spezielle Methoden der Kernspin- oder NMR-Technik, wobei NMR für "nuclear magnetic resonance" steht, über die jeweils ein bestimmter Frequenzbereich und damit ein bestimmter Massenbereich für Dunkle Materie Teilchen zugänglich ist. Generell nutzt die Kernspin- oder NMR-Technik die Tatsache, dass Kernspins auf Magnetfelder reagieren, die mit einer bestimmten Resonanzfrequenz schwingen. Diese Resonanzfrequenz wird über ein zweites, meist statisches Magnetfeld eingestellt. Die Grundannahme des CASPEr-Forschungsprogramms: Auch ein Dunkle Materie Feld beeinflusst die Kernspins der untersuchten Probe in dieser Weise. Während sich die Erde durch dieses Feld bewegt, verhalten sich die Kernspins genau wie in einem oszillierenden magnetischen Feld. Das Ergebnis ist ein durch Dunkle Materie induziertes NMR-Spektrum.

In der aktuellen Arbeit verwenden Erstautor Antoine Garcon und seine Kollegen mit der sogenannten ZULF (zero to ultra low field) NMR Methode eine etwas exotischere Technik. "Die ZULF-NMR bietet ein System, bei dem Kernspins stärker miteinander interagieren als mit einem externen Magnetfeld", erklärt der korrespondierende Autor Dr. John W. Blanchard. "Um die Spins empfindlich auf Dunkle Materie zu machen, muss nur ein sehr kleines Magnetfeld von außen angelegt werden, das viel einfacher zu stabilisieren ist." Darüber hinaus werteten die Forscher erstmals ZULF-NMR-Spektren von 13C-Ameisensäure im Hinblick auf sogenannte Seitenbänder aus, die durch ein oszillierendes Dunkle Materie Feld hervorgerufen werden könnten.

Die spezielle Seitenbandanalyse ermöglicht den Forschern, einen neuen Frequenzbereich nach Hinweisen auf Dunkle Materie abzusuchen – auch in diesem Bereich konnte die Gruppe um Prof. Dr. Dmitry Budker keinen Einfluss von Dunkler Materie nachweisen, wie sie in der aktuellen Ausgabe von Science Advances berichten. Die Ergebnisse des aktuellen Experiments liefern so allerdings ein weiteres Puzzleteil im Dunkle-Materie-Rätsel und ergänzen die Ergebnisse aus dem CASPEr-Forschungsprogramm vom Juni 2019. Hier hatten die Forscher einen um mehrere Größenordnungen niedrigeren Frequenzbereich abgesucht und dabei eine andere spezielle NMR-Methode genutzt, die sogenannte Komagnetometrie.

"Wie ein Puzzle fügen wir im Rahmen des CASPEr-Forschungsprogramms verschiedene Bausteine zusammen, um den Suchbereich nach Dunkler Materie immer weiter einzuschränken", so Budker. "Das ist nur der erste Schritt. Wir planen derzeit mehrere vielversprechende Verbesserungen, um unser Experiment noch empfindlicher zu machen",  ergänzt Blanchard.