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Vernetzte optische Atomuhren suchen dunkle Materie

Aus dem Jahresbericht 2020
03.03.2021

Das Verständnis dunkler Materie, die den Großteil aller Materie im Universum ausmacht, ist eines der wichtigsten offenen Probleme der heutigen Physik. Es wird angenommen, dass sie im Raum nicht gleichmäßig verteilt ist, sondern sich in Klumpen oder Schichten konzentriert, durch die sich die Erde hindurchbewegen kann. Forscher aus Frankreich, dem Vereinigten Königreich und der PTB haben untersucht, ob sich die Übergangsfrequenzen hochstabiler optischer Uhren ändern, wenn sie in solch eine Ansammlung dunkler Materie aus leichten Teilchen eintauchen. Eine hypothetische Kopplung von dunkler Materie und Naturkonstanten, die die Frequenz der Uhren bestimmen, könnte eine für verschiedene Uhrentypen unterschiedliche Frequenzvariation verursachen.

Da es mit nur einer einzigen Uhr unmöglich ist, eine Frequenzänderung zu messen, wurden optische Uhren an unterschiedlichen Standorten über Glasfasern verglichen und damit gleichzeitig lokale Störungen aus den Daten eliminiert.

Die Frequenzdaten der Uhren wurden zunächst auf zeitabhängige Änderungen untersucht, die sich mit den bekannten Empfindlichkeiten der Uhren in eine Variation der Feinstrukturkonstante α überführen ließen. Dank der herausragenden Langzeitstabilität der optischen Uhren konnte z. B. die zeitliche Variation für Beobachtungszeiten von 1000 s auf |δα/α| < 5 ∙ 10−17 eingeschränkt werden.

In einem zweiten Schritt wurde dann untersucht, wie stark eine Kopplung zwischen dunkler Materie und α sein könnte. Unter der Annahme, dass der Großteil der dunklen Materie in unserer Galaxie in räumlich begrenzten „Wolken“ vorliegt, konnten mögliche Kopplungen erheblich eingeschränkt werden, insbesondere für Regionen mit Ausdehnungen größer als 104 km.