Auf der Suche nach Dunkler Materie mit den kältesten Quantendetektoren der Welt

Eines der größten Rätsel der Wissenschaft könnte bald gelöst werden. Etwa 80 % der Materie im Universum ist dunkel, also unsichtbar. Tatsächlich durchströmt uns ständig dunkle Materie, wahrscheinlich mit einer Geschwindigkeit von mehreren Billionen Teilchen pro Sekunde.

Wir wissen, dass es existiert, weil wir die Auswirkungen seiner Schwerkraft sehen können, aber Experimente konnten es bisher nicht nachweisen.

Mithilfe modernster Quantentechnologien bauen Wissenschaftler der Lancaster University, der University of Oxford und der Royal Holloway, University of London, die bislang empfindlichsten Detektoren für dunkle Materie.

Ihre öffentliche Ausstellung mit dem Titel „Eine Quantenvision des unsichtbaren Universums“ ist auf der diesjährigen Sommerwissenschaftlichen Ausstellung der Royal Society vom 2. bis 7. Juli 2024 zu sehen. Verwandte Forschungsergebnisse werden auch in veröffentlicht 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 vom RHUL.

EPSRC-Mitglied Dr. Autti sagte: „Wir nutzen Quantentechnologien bei extrem niedrigen Temperaturen, um die bisher empfindlichsten Detektoren zu bauen.“ Ziel ist es, diese mysteriöse Materie direkt im Labor zu beobachten und eines der größten Rätsel der Wissenschaft zu lösen. »

Es gibt indirekte Beobachtungsnachweise für die typische Dichte der Dunklen Materie in der Galaxie, aber die Masse der Teilchen, aus denen sie besteht, 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 richtet zwei Experimente ein, jeweils eines zur Erforschung.

Unter den beiden Kandidaten könnten neue Teilchen mit ultraschwachen Wechselwirkungen durch ihre Kollisionen mit gewöhnlicher Materie nachgewiesen werden. Die Fähigkeit, diese Kollisionen in einem Experiment zu identifizieren, hängt jedoch von der Masse der gesuchten Dunklen Materie ab. Die meisten bisherigen Forschungen würden Teilchen der Dunklen Materie nachweisen, die zwischen dem Fünf- und Tausendfachen eines Wasserstoffatoms wiegen, aber es ist möglich, dass viel leichtere Kandidaten für Dunkle Materie übersehen wurden.

Ziel des Forschungsteams QUEST-DMC (Quantum Enhanced Superfluid Technologies for Dark Matter and Cosmology) ist es, eine hochmoderne Kollisionsempfindlichkeit mit Kandidaten für dunkle Materie mit Massen zwischen 0,01 und einigen Wasserstoffatomen zu erreichen. Um dies zu erreichen, besteht der Detektor aus supraflüssigem Helium-3, wird auf einen makroskopischen Quantenzustand gekühlt und ist mit supraleitenden Quantenverstärkern ausgestattet. Die Kombination dieser beiden Quantentechnologien schafft die erforderliche Empfindlichkeit, um extrem schwache Signaturen von Kollisionen dunkler Materie zu messen.

Wenn dunkle Materie hingegen aus Axionen besteht, sind diese extrem leicht – mehr als eine Milliarde Mal leichter als ein Wasserstoffatom –, aber proportional häufiger. Wissenschaftler wären nicht in der Lage, Kollisionen mit Axionen zu erkennen, aber sie könnten nach einer anderen Signatur 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 axionischen Signal eignen.

Der diesjährige Messestand ermöglicht Besuchern die Beobachtung des Unsichtbaren durch interaktive und fantasievolle Exponate für alle Altersgruppen.

Um zu zeigen, wie wir aus der Beobachtung von Galaxien auf Dunkle Materie schließen können, werden wir ein Gyroskop in einer Box sehen, das sich aufgrund eines unsichtbaren Drehimpulses auf überraschende Weise bewegt. Außerdem sehen wir transparente Glasperlen in einer Flüssigkeit und zeigen, wie sich durch geschickte Experimente unsichtbare Massen beobachten lassen.

Ein beleuchteter Verdünnungskühlschrank wird zeigen, wie das Team extrem niedrige Temperaturen erreicht, und ein Modell eines Teilchenkollisionsdetektors für dunkle Materie wird zeigen, wie sich unser Universum verhalten würde, wenn sich dunkle Materie wie normale Materie verhalten würde.

Besucher können dann mit einem Modell-Axion-Detektor nach dunkler Materie suchen, indem sie die Frequenz eines Radioempfängers scannen, und sie können auch mithilfe eines Pendels ihren eigenen parametrischen Verstärker erstellen.

Carlos Frenk, Kosmologe und Fellow der Royal Society und Vorsitzender des Public Engagement Committee, sagte: „Wissenschaft ist wichtig, um uns zu helfen, die Welt, in der wir leben, Vergangenheit, Gegenwart und Zukunft zu verstehen.“ Ich lade Besucher jeden Alters ein, mit Offenheit, Neugier und Enthusiasmus zu kommen und die unglaublichen wissenschaftlichen Errungenschaften zu feiern, von denen alle profitieren. »