|
Auf der Suche nach leichter Dunkler Materie
Redaktion
/ idw / Pressemitteilung der Universität Zürich
astronews.com
17. September 2025
Die Zusammensetzung und Beschaffenheit der Dunklen Materie
ist noch immer eine der großen Unbekannten der modernen Physik. Ein
Forschungsteam hat nun ein Verfahren entwickelt, um nach sehr leichten
Dunkle-Materie-Teilchen zu suchen. Dabei nutzten sie supraleitende Sensoren, die
in der Lage sind, einzelne Photonen mit niedriger Energie zu detektieren.
Mit dem verbesserten supraleitenden
Nanodraht-Einzelphotonen-Detektor (SNSPD) suchen die
Forschenden nach sehr leichter Dunkler Materie.
Foto: UZH [Großansicht] |
Rund 80 Prozent der Materie im Universum besteht aus sogenannter Dunkler
Materie. Noch immer sind Zusammensetzung und Beschaffenheit der einzelnen
Teilchen dieser Substanz ungeklärt und stellen die moderne Physik vor
grundlegende Fragen. Um Dunkle Materie nachzuweisen, versucht man Lichtteilchen,
die Photonen, zu detektieren, die bei der Kollision eines Dunkle Materie
Teilchens mit uns bekannter sichtbarer Materie erzeugt werden.
Bisher haben sich die meisten Experimente auf den Fall konzentriert, dass
Dunklen Materie aus Teilchen besteht, deren Massen ungefähr so groß sind wie die
bekannter Elementarteilchen. Wären die Teilchen jedoch leichter als ein
Elektron, können sie mit dem derzeitigen Standard, nämlich mit Detektoren, die
auf flüssigem Xenon basieren, kaum nachgewiesen werden. Noch ist es keinem
Experiment gelungen, Dunkle Materie nachzuweisen, aber auch das ist eine
wichtige Erkenntnis: man kann schlussfolgern, dass es keine
Dunkle-Materie-Teilchen innerhalb des bisher getesteten Massenbereichs und der
getesteten Wechselwirkungsstärke gibt.
Ein internationales Team um Laura Baudis, Titus Neupert, Björn Penning und
Andreas Schilling vom Physik-Institut der Universität Zürich kann nun Dunkle
Materie in einem weiten Massenbereich unter einem Megaelektronvolt (MeV)
erforschen. Mit einem verbesserten sogenannten supraleitenden
Nanodraht-Einzelphotonen-Detektor (SNSPD) erreichten sie eine Schwelle von etwa
einem Zehntel der Elektronenmasse, über der Existenz von Dunkle-Materie-Teilchen
mit den neuen Erkenntnissen viel unwahrscheinlicher ist.
"Das ist das erste Mal, dass wir nach Dunkle-Materie-Teilchen in diesem
niedrigen Massebereich suchen können, ermöglicht durch eine neue
Detektor-Technologie", sagt Baudis. Bereits 2022 hatte das Forschungsteam in
einem "Proof of Concept" den ersten supraleitenden
Nanodraht-Einzelphotonen-Detektor (SNSPD) getestet. Dieser reagiert sehr
empfindlich auf Photonen mit niedrigerer Energie: diese erhitzen den Draht lokal
ein wenig und lassen so die supraleitende Eigenschaft schlagartig verschwinden.
Der Draht wird nomalleitend und der resultierende Anstieg des elektrischen
Widerstandes kann gemessen werden.
Den bisherigen SNSPD haben die UZH-Forschenden nun zur Detektion von Dunkler
Materie optimiert. Sie statteten ihn mit supraleitenden Mikrodrähten anstelle
von Nanodrähten aus, um seinen Querschnitt zu maximieren. Zudem gaben sie dem
Gerät eine dünne, planare Geometrie, die es besonders empfindlich für
Richtungsänderungen macht. Die Forschenden nehmen an, dass sich die Erde durch
einen "Wind" von Dunkler Materie bewegt und sich darum der Teilcheneinfall je
nach Relativgeschwindigkeit im Jahreszyklus verändert. Ein richtungssensitiver
Detektor kann darum helfen, Ereignisse herauszufiltern, die nichts mit Dunkler
Materie zu tun haben.
"Durch weitere technische Verbesserungen am SNSPD könnte es in Zukunft
möglich sein, Signale von Dunkler-Materie-Teilchen mit noch kleinerer Masse zu
detektieren. Zudem wollen wir das System unterirdisch einsetzen, wo es von
besser von Störfaktoren isoliert ist", sagt Neupert. Für Massen kleiner als die
Elektronenmasse sind die bisherigen Modelle zur Beschreibung von Dunkler Materie
mit großen astrophysikalischen und kosmologischen Einschränkungen konfrontiert.
Über ihre Suche nach sehr leichten Dunkle-Materie-Teilchen berichtet das Team
in einem Fachartikel, der in der Zeitschrift Physical Review Letters
erschienen ist.
|
