Eines der größten Rätsel der Wissenschaft könnte seiner Lösung einen Schritt näher gekommen sein. Ungefähr 80 % der Materie im Universum ist dunkel, das heißt, man kann sie nicht sehen. Tatsächlich durchdringt uns dunkle Materie ständig – möglicherweise mit einer Geschwindigkeit von Billionen von Teilchen pro Sekunde.
Wir wissen von seiner Existenz, weil wir die Auswirkungen seiner Schwerkraft sehen können, doch bisherige Experimente konnten ihn nicht nachweisen.
Wissenschaftler der Lancaster University, der University of Oxford und des Royal Holloway der University of London nutzen die fortschrittlichsten Quantentechnologien und bauen die bislang empfindlichsten Dunkle-Materie-Detektoren.
Ihre öffentliche Ausstellung mit dem Titel „Eine Quantenansicht des unsichtbaren Universums“ wird auf der diesjährigen Flaggschiff-Konferenz der Royal Society präsentiert. Sommerliche Wissenschaftsausstellung vom 2. bis 7. Juli 2024. Verwandte Forschung ist auch veröffentlicht im Zeitschrift für Tieftemperaturphysik.
Zu den Forschern gehören Dr. Michael Thompson, Professor Edward Laird, Dr. Dmitry Zmeev und Dr. Samuli Autti aus Lancaster, Professor Jocelyn Monroe aus Oxford und Professor Andrew Casey von der RHUL.
EPSRC-Fellow Dr. Autti sagte: „Wir nutzen Quantentechnologien bei ultraniedrigen Temperaturen, um die bislang empfindlichsten Detektoren zu bauen. Das Ziel ist, diese mysteriöse Materie direkt im Labor zu beobachten und eines der größten Rätsel der Wissenschaft zu lösen.“
Es gibt indirekte Beobachtungsbeweise für die typische Dichte der dunklen Materie in der Galaxie, aber die Masse der Bestandteilsteilchen und ihre möglichen Wechselwirkungen mit gewöhnlichen Atomen sind unbekannt.
Die Theorie der Teilchenphysik schlägt zwei mögliche Kandidaten für Dunkle Materie vor: neue Teilchen mit so schwachen Wechselwirkungen, dass wir sie noch nicht beobachtet haben, und sehr leichte wellenartige Teilchen, sogenannte Axionen. Das Team führt zwei Experimente durch, eines für die Suche nach beiden.
Von den beiden Kandidaten konnten neue Teilchen mit ultraschwachen Wechselwirkungen durch ihre Kollisionen mit gewöhnlicher Materie nachgewiesen werden. Ob diese Kollisionen in einem Experiment identifiziert werden können, hängt jedoch von der Masse der gesuchten Dunklen Materie ab. Die meisten bisherigen Suchvorgänge könnten Dunkle-Materie-Teilchen erkennen, die zwischen fünf und 1.000 Mal schwerer sind als ein Wasserstoffatom, aber es ist möglich, dass viel leichtere Dunkle-Materie-Kandidaten übersehen wurden.
Das Team Quantum Enhanced Superfluid Technologies for Dark Matter and Cosmology (QUEST-DMC) möchte eine weltweit führende Empfindlichkeit für Kollisionen mit Dunkle-Materie-Kandidaten mit einer Masse zwischen 0,01 und einigen Wasserstoffatomen erreichen. Zu diesem Zweck besteht der Detektor aus supraflüssigem Helium-3, das in einen makroskopischen Quantenzustand gekühlt und mit supraleitenden Quantenverstärkern ausgestattet wird. Die Kombination dieser beiden Quantentechnologien schafft die Empfindlichkeit, um extrem schwache Signaturen von Dunkle-Materie-Kollisionen zu messen.
Besteht Dunkle Materie dagegen aus Axionen, sind diese extrem leicht – mehr als eine Milliarde Mal leichter als ein Wasserstoffatom –, aber auch entsprechend häufiger. Kollisionen mit Axionen könnten Wissenschaftler nicht feststellen, aber sie können stattdessen nach einem anderen Merkmal suchen – einem elektrischen Signal, das entsteht, wenn Axionen in einem Magnetfeld zerfallen.
Dieser Effekt kann nur mit einem äußerst empfindlichen Verstärker gemessen werden, der mit der höchsten Präzision arbeitet, die die Quantenmechanik zulässt. Das Team Quantum Sensors for the Hidden Sector (QSHS) entwickelt daher eine neue Klasse von Quantenverstärkern, die sich perfekt für die Suche nach einem Axionsignal eignen.
Der Stand auf der diesjährigen Ausstellung ermöglicht den Besuchern anhand fantasievoller Mitmach-Exponate für alle Altersgruppen, das Unsichtbare zu beobachten.
Um zu demonstrieren, wie wir durch die Beobachtung von Galaxien auf dunkle Materie schließen können, wird ein Gyroskop in einer Box zu sehen sein, das sich aufgrund des unsichtbaren Drehimpulses auf überraschende Weise bewegt. Außerdem wird es Glasmurmeln geben, die in Flüssigkeit transparent sind und zeigen, wie unsichtbare Massen durch geschickte Experimente beobachtet werden können.
Ein leuchtender Verdünnungskühlschrank wird demonstrieren, wie das Team ultraniedrige Temperaturen erreicht, und ein Modell eines Kollisionsdetektors für Dunkle-Materie-Partikel wird zeigen, wie sich unser Universum verhalten würde, wenn sich Dunkle Materie wie normale Materie verhalten würde.
Anschließend können Besucher mit einem Modell eines Axiondetektors durch Scannen der Frequenz eines Radioempfängers nach dunkler Materie suchen und mithilfe eines Pendels ihren eigenen parametrischen Verstärker herstellen.
Der Kosmologe Carlos Frenk, Mitglied der Royal Society und Vorsitzender des Public Engagement Committee, sagte: „Die Wissenschaft ist von entscheidender Bedeutung, um die Welt, in der wir leben, zu verstehen – Vergangenheit, Gegenwart und Zukunft. Ich fordere Besucher aller Altersgruppen auf, mit Aufgeschlossenheit, Neugier und Enthusiasmus zu kommen und unglaubliche wissenschaftliche Errungenschaften zu feiern, die uns allen zugute kommen.“
Mehr Informationen:
S. Autti et al, QUEST-DMC: Hintergrundmodellierung und resultierender Wärmeeintrag für ein suprafluides Helium-3-Bolometer, Zeitschrift für Tieftemperaturphysik (2024). DOI: 10.1007/s10909-024-03142-w