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Das Windchime-Experiment könnte die Schwerkraft nutzen, um nach „Wind“ aus dunkler Materie zu suchen

Das Geheimnis zum direkten Nachweis dunkler Materie könnte im Wind wehen.

Die mysteriöse Substanz entzieht sich Wissenschaftlern weiterhin, obwohl sie die sichtbare Materie im Universum um etwa 8 zu 1 überwiegt. Alle Laborversuche, dunkle Materie direkt nachzuweisen – nur indirekt durch die Auswirkungen ihrer Schwerkraft auf die Bewegungen von Sternen und Galaxien zu sehen – sind verschwunden unerfüllt.

Diese Versuche stützten sich auf die Hoffnung, dass dunkle Materie neben der Gravitation zumindest eine andere Wechselwirkung mit gewöhnlicher Materie hat (SN: 25.10.16). Aber ein vorgeschlagenes Experiment namens Windchime wird, obwohl Jahrzehnte vor seiner Realisierung, etwas Neues ausprobieren: Es wird nach dunkler Materie suchen, indem es die einzige Kraft verwendet, die es garantiert spürt – die Schwerkraft.

„Die Kernidee ist extrem einfach“, sagt der theoretische Physiker Daniel Carney, der das Schema im Mai auf einem Treffen der Abteilung für Atom-, Molekular- und optische Physik der American Physical Society in Orlando, Florida, beschrieb. Wie ein Windspiel auf einer Veranda, das hereinrasselt eine Brise, würde der Windchime-Detektor versuchen, einen „Wind“ aus dunkler Materie zu erfassen, der an der Erde vorbei weht, während das Sonnensystem um die Galaxie peitscht.

Wenn die Milchstraße größtenteils eine Wolke aus dunkler Materie ist, wie astronomische Messungen vermuten lassen, dann sollten wir mit etwa 200 Kilometern pro Sekunde durch sie hindurchsegeln. Dies erzeugt einen Wind aus dunkler Materie, aus dem gleichen Grund, aus dem Sie einen Wind spüren, wenn Sie Ihre Hand aus dem Fenster eines fahrenden Autos strecken.

Der Windchime-Detektor basiert auf der Vorstellung, dass eine Ansammlung von Pendeln im Wind schwingt. Im Fall von Windspielen im Hinterhof können es Metallstäbe oder baumelnde Glocken sein, die in bewegter Luft klimpern. Für den Detektor für dunkle Materie sind die Pendel Anordnungen winziger, ultraempfindlicher Detektoren, die von den Gravitationskräften gestoßen werden, die sie spüren, wenn sie Bits dunkler Materie passieren. Anstelle von Luftmolekülen, die von Metallglocken abprallen, würde die Anziehungskraft der Partikel, aus denen der Wind aus dunkler Materie besteht, unverwechselbare Wellen verursachen, wenn er durch etwa eine Milliarde Sensoren in einer Box mit einer Seitenlänge von etwa einem Meter bläst.

Innerhalb des Windchime-Detektors (dargestellt als eine Anordnung kleiner Pendel) würde ein vorbeiziehendes Teilchen aus dunkler Materie (roter Punkt) durch die Schwerkraft an Sensoren (blaue Quadrate) ziehen und eine erkennbare Welligkeit verursachen, ähnlich wie Wind, der durch ein Windspiel im Hinterhof weht.D. Carney et al/Körperliche Überprüfung D 2020

Obwohl es logisch erscheinen mag, mithilfe der Schwerkraft nach dunkler Materie zu suchen, hat es in den fast 40 Jahren, in denen Wissenschaftler dunkle Materie im Labor untersucht haben, niemand versucht. Das liegt daran, dass die Schwerkraft vergleichsweise eine sehr schwache Kraft ist und in Experimenten schwer zu isolieren ist.

„Du suchst nach dunkler Materie [cause] ein Gravitationssignal im Sensor“, sagt Carney vom Lawrence Berkeley National Laboratory in Kalifornien. „Und du fragst einfach . . . Könnte ich möglicherweise dieses Gravitationssignal sehen? Wenn Sie zum ersten Mal die Schätzung vornehmen, lautet die Antwort nein. Es wird tatsächlich undurchführbar schwierig.“

Das hielt Carney und eine kleine Gruppe von Kollegen jedoch nicht davon ab, die Idee 2020 ohnehin zu untersuchen. „Vor dreißig Jahren wäre es völlig verrückt gewesen, das vorzuschlagen“, sagt er. „Es ist immer noch irgendwie verrückt, aber es ist wie der Grenzwahnsinn.“

Die Zusammenarbeit im Windchime-Projekt ist seitdem auf 20 Physiker angewachsen. Sie haben einen Windchime-Prototyp, der aus kommerziellen Beschleunigungsmessern gebaut wurde, und verwenden ihn, um die Software und Analysen zu entwickeln, die zur endgültigen Version des Detektors führen werden, aber es ist weit entfernt vom endgültigen Design. Carney schätzt, dass es noch einige Jahrzehnte dauern könnte, Sensoren zu entwickeln, die gut genug sind, um die Schwerkraft selbst aus schwerer dunkler Materie zu messen.

Carney stützt die Zeitleiste auf die Entwicklung des Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory oder LIGO, das entwickelt wurde, um nach Gravitationswellen zu suchen, die von kollidierenden Schwarzen Löchern ausgehen (SN: 11.02.16). Als LIGO zum ersten Mal konzipiert wurde, sagte er, war klar, dass die Technologie hundertmillionenfach verbessert werden musste. Jahrzehnte der Entwicklung führten zu einem Observatorium, das den Himmel in Gravitationswellen betrachtet. Bei Windchime „sitzen wir genau im selben Boot“, sagt er.

Selbst in seiner endgültigen Form wird Windchime nur für Bits aus dunkler Materie empfindlich sein, die ungefähr die Masse eines feinen Staubkorns haben. Das ist enorm im Spektrum bekannter Teilchen – mehr als eine Million Billionen Mal die Masse eines Protons.

„Es gibt eine Vielzahl sehr interessanter Kandidaten für Dunkle Materie [that scale] die es definitiv wert sind, gesucht zu werden … einschließlich ursprünglicher Schwarzer Löcher aus dem frühen Universum“, sagt Katherine Freese, Physikerin an der University of Michigan in Ann Arbor, die nicht Teil der Windchime-Kollaboration ist. Schwarze Löcher verdunsten langsam und lecken Masse zurück in den Weltraum, bemerkt sie, was viele Relikte hinterlassen könnte, die kurz nach dem Urknall bei der Masse entstanden sind, die Windchime erkennen konnte.

Aber wenn es überhaupt nichts erkennt, hebt sich das Experiment dennoch von anderen Nachweissystemen für dunkle Materie ab, sagt Dan Hooper, ein Physiker am Fermilab in Batavia, Illinois, der ebenfalls nicht mit dem Projekt verbunden ist. Das liegt daran, dass es das erste Experiment wäre, das einige Arten dunkler Materie vollständig ausschließen könnte.

Selbst wenn das Experiment nichts ergibt, sagt Hooper: „Das Erstaunliche daran [Windchime] … ist das, unabhängig von allem, was Sie sonst über Teilchen der Dunklen Materie wissen, dass sie nicht in diesem Massenbereich liegen.“ Bei bestehenden Experimenten könnte ein Versäumnis, irgendetwas zu entdecken, stattdessen auf fehlerhafte Vermutungen über die Kräfte zurückzuführen sein, die auf Dunkle Materie einwirken (SN: 7.7.22).

Windchime wird das einzige bisher vorgestellte Experiment sein, bei dem das Sehen von nichts den Forschern definitiv sagen würde, was dunkle Materie nicht ist. Mit etwas Glück könnte es jedoch einen Wind aus winzigen Schwarzen Löchern oder noch exotischeren Bits aus dunkler Materie aufdecken, die vorbeiziehen, während wir um die Milchstraße kreisen.

D. Carney. Quantenoptomechanik und dunkle Materie auf unterschiedlichen Skalen. Treffen der American Physical Society Division of Atomic, Molecular and Optical Physics, Orlando, Florida, 30. Mai 2022.

D. Carney et al. Vorschlag für den gravitativen direkten Nachweis dunkler Materie. Körperliche Überprüfung D. Vol. 102, 1. Oktober 2020, 072003. doi: 10.1103/PhysRevD.102.072003.

Autoren: James R. Riordon von Sciencenews

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