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Dunkle Materie bleibt „dunkel“

Mit optischen Uhren auf der Suche nach Wechselwirkungen zwischen ultraleichter dunkler Materie und Photonen

PTB-News 1.2024
15.01.2024
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Physikalische Grundlagenforschung

Kann dunkle Materie mit Photonen wechselwirken und die Atomstruktur beeinflussen? Ein Vergleich zweier verschiedener Typen optischer Atomuhren der PTB verbesserte bisherige experimentelle Nachweisgrenzen für eine mögliche Kopplung um mehr als eine Größenordnung und über einen weiten Bereich möglicher Massen der dunklen Materie-Teilchen. Deren Beschaffenheit und mögliche Wechselwirkungen konnten damit weiter eingegrenzt werden, auch wenn noch kein entsprechender Nachweis gelungen ist.

Für die Suche nach dunkler Materie wurden drei Atomuhren verglichen: Zwei davon nutzen unterschiedliche Übergänge in demselben Yb+-Ion, das in einer Einzelionenfalle gespeichert wird (links). Die dritte Atomuhr verwendet ca. 1000 neutrale Strontiumatome in einem optischen Gitter (rechts).

Astronomische Beobachtungen weisen auf die Existenz sogenannter dunkler Materie hin, die mehr als 80 % der gesamten Materie ausmacht und, soweit bisher bekannt, nur über Gravitation mit der uns bekannten, sichtbaren Materie wechselwirkt. Insbesondere wurde bisher keine Wechselwirkung mit Photonen nachgewiesen – daher auch die Bezeichnung „dunkel“ für diesen Typ Materie.

Ein vielversprechender theoretischer Ansatz besagt, dass dunkle Materie aus Teilchen bestehen könnte, die extrem leicht sind und sich nicht wie einzelne Teilchen, sondern wie eine Welle verhalten: sogenannte ultraleichte dunkle Materie. In diesem Fall würden bisher unentdeckte, schwache Wechselwirkungen der dunklen Materie mit Photonen zu kleinsten Oszillationen der Feinstrukturkonstanten führen. Die Feinstrukturkonstante beschreibt die Stärke der elektromagnetischen Wechselwirkung. Sie legt die atomaren Energieskalen fest und beeinflusst damit auch die Übergangsfrequenzen, die in Atomuhren als Referenz genutzt werden. Da verschiedene Übergänge unterschiedlich empfindlich auf mögliche Änderungen der Konstanten reagieren würden, können Vergleiche von Atomuhren für die Suche nach ultraleichter dunkler Materie genutzt werden. Erstmals wurde eine Atomuhr, die besonders empfindlich gegenüber möglichen Änderungen der Feinstrukturkonstanten ist, in einer solchen Suche eingesetzt. Sie wurde über mehrere Monate mit zwei anderen Atomuhren von geringerer Sensitivität in Messungen verglichen. In den Messdaten wurden Oszillationen gesucht – die Signatur der ultraleichten dunklen Materie. Da keine signifikanten Oszillationen gefunden wurden, blieb dunkle Materie „dunkel“. Durch die Abwesenheit eines Signals konnten neue experimentelle Obergrenzen für die Größe einer möglichen Kopplung von ultraleichter dunkler Materie an Photonen bestimmt werden. Bisherige Limits wurden in einem weiten Bereich um mehr als eine Größenordnung verbessert. Auch eine mögliche Änderung der Feinstrukturkontante wurde in den Daten nicht detektiert, jedoch bestehende Limits verschärft.

Im Gegensatz zu bisherigen Uhrenvergleichen wurden hier zwei der drei Atomuhren in einem einzigen experimentellen Aufbau realisiert. Dafür wurden zwei unterschiedliche Übergangsfrequenzen eines einzelnen, gefangenen Ions verwendet: Das Ion wurde abwechselnd auf den beiden optischen Übergängen abgefragt. Damit ist ein wichtiger Schritt gelungen, um optische Frequenzvergleiche noch kompakter und robuster zu gestalten – zum Beispiel für eine zukünftige Suche nach dunkler Materie im Weltall.

Ansprechpartner

Nils Huntemann
Fachbereich 4.4
Zeit und Frequenz
Telefon: (0531) 592-4430
Opens local program for sending emailnils.huntemann(at)ptb.de

Wissenschaftliche Veröffentlichung

M. Filzinger, S. Dörscher, R. Lange, J. Klose, M. Steinel, E. Benkler, E. Peik, C. Lisdat, N. Huntemann: Improved limits on the coupling of ultralight bosonic dark matter to photons from optical atomic clock comparisons, Phys. Rev. Lett. 130, 253001 (2023)