Wissenschaftler schlagen eine neue Methode zur Suche nach dunkler Materie mit LIGO vor

Eine neue Studie veröffentlicht In Briefe zur körperlichen Überprüfung (PRL) schlägt vor, Gravitationswellendetektoren wie LIGO zur Suche nach dunkler Materie im Skalarfeld zu verwenden.

Dunkle Materie, eine schwer fassbare Form von Materie, macht bis zu 30 % der beobachtbaren Materie im Universum aus. Sie absorbiert, emittiert oder reflektiert kein Licht und ist daher für uns unsichtbar.

Seine Existenz wird aufgrund seiner Gravitationseffekte auf sichtbare Materie vermutet, wie etwa der Bewegung von Galaxienhaufen und der Rotation von Galaxien. Aufgrund seiner schwer fassbaren Natur hat es großes Interesse bei Wissenschaftlern geweckt. Doch trotz umfangreicher Forschung bleibt seine Natur unbekannt.

Der PRL Die Studie unter der Leitung von Dr. Alexandre Sébastien Göttel von der Cardiff University untersucht die Suche nach einem bestimmten Kandidaten für Dunkle Materie, der sogenannten Skalarfeld-Dunkle Materie. Dr. Göttel sprach mit Phys.org über die Forschung.

„Ich habe vor Kurzem mein Fachgebiet gewechselt und mich von der Teilchenphysik mit Schwerpunkt auf Sonnenneutrinos zur Gravitationswellendatenanalyse entwickelt. Die Möglichkeit, mit LIGO nach Dunkler Materie zu suchen, schien mir die ideale Möglichkeit, mein Fachwissen in beiden Bereichen anzuwenden und gleichzeitig mehr über Interferometrie zu lernen“, sagte Dr. Göttel.

Gravitationswellendetektoren

Gravitationswellendetektoren sind hochempfindliche Geräte, die winzige Verzerrungen (auch Gravitationswellen genannt) in der Raumzeit erkennen.

Das Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, kurz LIGO, verwendet Laserinterferometer zur Erkennung von Gravitationswellen. Der Aufbau besteht aus zwei 4 Kilometer langen Armen im rechten Winkel. Ein Laserstrahl wird in zwei Teile geteilt und entlang jedes Arms gesendet.

Gravitationswellen dehnen und komprimieren die Raumzeit selbst, und da sie transversaler Natur sind, würden sie die Distanz eines der Arme dehnen, während sie den anderen komprimieren. Das bedeutet, dass die Zeit, die das Licht entlang jedes Arms benötigt, unterschiedlich wäre.

Die beiden Strahlen werden dann mithilfe eines Spiegels zurück zum Zentrum geschickt und die Interferenzmuster gemessen. Anhand des veränderten Interferenzmusters erkennt LIGO das Vorhandensein einer Gravitationswelle.

Mit LIGO dunkle Materie aufspüren

Eine der angenommenen Formen dunkler Materie ist die Skalarfeld-Dunkle Materie. Dabei handelt es sich um ultraleichte Skalarboson-Partikel, was bedeutet, dass sie weder einen Eigendrehimpuls noch eine Eigenrichtung besitzen. Einfach ausgedrückt: Wenn sie im Raum rotieren würden, blieben ihre Eigenschaften unverändert.

Es wird angenommen, dass dunkle Materie im Skalarfeld nur schwach mit Materie und Licht interagiert. Diese schwache Wechselwirkung in Verbindung mit ihrer geringen Masse bedeutet, dass dunkle Materie im Skalarfeld wellenartige Strukturen aufweisen kann, die sich ausbreiten und überlappen, um Wellenmuster zu bilden.

Dadurch können sie stabile Formationen bilden, wie Wolken aus dunkler Materie, die sich durch den Raum bewegen können, ohne auseinanderzubrechen. Diese Eigenschaft der Skalarfeld-Dunkle-Materie ist der Schlüssel zur Verwendung von Gravitationswellendetektoren wie LIGO zur Suche nach ihnen.

Dr. Göttel erläuterte: „Einige Theorien legen nahe, dass sich dunkle Materie eher wie eine Welle als wie ein Teilchen verhält. Diese Wellen würden in normaler Materie winzige Schwingungen verursachen, die von Gravitationswellendetektoren nachgewiesen werden können.“

Testen Sie Masseneffekte

Das Forschungsteam nutzte Daten aus LIGOs drittem Beobachtungslauf und erweiterte die Suche auf niedrigere Frequenzen (10 bis 180 Hertz), wodurch die Empfindlichkeit im Vergleich zu früheren Arbeiten verbessert wurde.

Während frühere Studien den Effekt berücksichtigten, den Skalarfeld-Dunkle-Materie auf den Strahlteiler hat, der Gravitationswellen ähnelt, bezogen die Forscher auch den Effekt auf die Spiegel in den Interferometerarmen mit ein.

„Auf atomarer Ebene kann man sich vorstellen, dass das Feld der Dunklen Materie parallel zum elektromagnetischen Feld schwankt. Die Schwingungen des Feldes der Dunklen Materie verändern effektiv die fundamentalen Konstanten, also die Feinstrukturkonstante und die Elektronenmasse, die die elektromagnetischen Wechselwirkungen bestimmen“, sagte Dr. Göttel.

Da die Schwingungen der Dunklen Materie jedes einzelne Atom im Universum beeinflussen, war die Berücksichtigung ihrer Auswirkungen auf die Testmassen – oder Spiegel – in den Interferometerarmen eine entscheidende Überlegung des Forschungsteams.

Dr. Göttel erläuterte weiter: „Die gesamte Materie würde von diesen Schwingungen beeinflusst werden, die Schwingungen anderer Teile des Instruments hätten jedoch keine oder nur eine sehr geringe Auswirkung auf den vorbeiziehenden Laserstrahl, den wir erkennen können.“

Obergrenzen festlegen

Das Forschungsteam entwickelte ein theoretisches Modell, um zu verstehen, wie Skalarfeld-Dunkle Materie mit den LIGO-Komponenten, Strahlteilern und Testmassen interagieren würde.

Anschließend verwendeten sie Simulationssoftware, um zu verstehen, wie Skalarfeld-Dunkle Materie die LIGO-Ausgabe beeinflussen würde, wenn sie vorhanden wäre. Die Simulation liefert eine Vorstellung davon, nach welcher Art von Signal oder Anomalie sie in den LIGO-Daten suchen sollten.

Anschließend verwendete das Forschungsteam die Daten von LIGO und wandte eine Methode namens logarithmische Spektralanalyse an, um Muster oder Signale zu identifizieren, die den vorhergesagten Effekten der Skalarfeld-Dunkle-Materie entsprechen.

Das Team konnte in den LIGO-Daten keine überzeugenden Belege für skalare Felder dunkler Materie finden. Allerdings gelang es ihnen, neue Obergrenzen für die Stärke der Wechselwirkung zwischen dunkler Materie und LIGO-Komponenten festzulegen.

Diese Kopplungsstärke ist der Schwellenwert, oberhalb dessen die Anwesenheit skalarer Dunkler Materie nachgewiesen werden kann. Der Wert dieser Kopplungsstärke wurde in diesem speziellen Frequenzbereich gegenüber früheren Arbeiten um den Faktor 10.000 verbessert.

„Wir sind die Ersten, die zusätzliche differenzielle Effekte in den Testmassen berücksichtigen, die bei niedrigen Frequenzen signifikant sind. Indem wir dies mit einer neuen Analysemethode kombiniert haben, die die statistische Aussagekraft der Daten maximiert, haben wir deutlich verbesserte Ergebnisse erzielt“, schloss Dr. Göttel.

Die Studie präsentiert Methoden zur Vorhersage der Auswirkungen von Änderungen der Kernoptik und zeigt, dass kleine Anpassungen der Spiegeldicke zu erheblichen Verbesserungen führen könnten. Das Forschungsteam schätzt außerdem, dass zukünftige Detektoren sogar indirekte Suchmethoden übertreffen und in der Lage sein werden, ganze Kategorien von skalaren Dunkle-Materie-Theorien auszuschließen.

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