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Mit Kernspinresonanz auf Dunkelmaterie-Suche
Redaktion
/ idw / Pressemitteilung der Universität Mainz
astronews.com
25. November 2019
Im Rahmen des CASPEr-Projekts suchen Wissenschaftlerinnen
und Wissenschaftler mithilfe der Kernspinresonanz nach Dunkler Materie. Mit
verschiedenen Methoden werden dabei unterschiedliche Frequenzbereiche abgesucht,
entsprechend verschiedener Massen der Dunklen Materie. Bislang wurde das Team in
Mainz allerdings noch nicht fündig.
Das Universum besteht zum größten Teil aus
etwas, das wir noch nicht kennen: Dunkle Materie
und Dunkle Energie.
Bild: NASA, ESA, H. Teplitz und M. Rafelski
(IPAC/Caltech), A. Koekemoer (STScI), R.
Windhorst (Arizona State University) und Z. Levay
(STScI) [Großansicht] |
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 einer
der 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, über die jeweils ein bestimmter Frequenzbereich und
damit ein bestimmter Masse-Bereich für Dunkle Materie Teilchen zugänglich ist.
Generell nutzt die Kernspin- oder NMR-(für nuclear magnetic resonance) Technik
die Tatsache, dass Kernspins auf Magnetfelder reagieren, die mit einer
bestimmten "Resonanzfrequenz" schwingen. Die 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 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 Teammitglied Dr. John
W. Blanchard. "Um die Spins empfindlich auf Dunkle Materie zu machen, muss nur
ein sehr kleines Magnetfeld von außen angelegt werden, welches 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
Seitenband-Analyse ermöglicht den Forschern, einen neuen Frequenzbereich nach
Hinweisen auf Dunkle Materie abzusuchen – auch in diesem Bereich konnte die
Gruppe um Budker keinen Einfluss von Dunkler Materie nachweisen.
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: Hier haben die Forscher einen um mehrere
Größenordnungen niedrigeren Frequenzbereich abgesucht und dabei eine andere
spezielle NMR-Methode genutzt – die so genannte 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 und Blanchard ergänzt: "Das ist nur der erste Schritt – wir
planen derzeit mehrere vielversprechende Verbesserungen, um unser Experiment
noch empfindlicher zu machen."
Über ihre Studie berichtete das Team unlängst in der
Fachzeitschrift Science Advance.
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