Seit Jahrzehnten jagen Wissenschaftler einer unsichtbaren Substanz hinterher, die das Universum durchdringen soll: Dunkle Materie. Sie soll etwa fünfmal mehr Masse besitzen als alle sichtbare Materie zusammen – und doch entzieht sie sich jeder direkten Beobachtung. Nun setzen Forscher auf eine neue, hochpräzise Technologie, um ihr auf die Spur zu kommen: die sogenannte „nukleare Uhr“.
Ein neuer Taktgeber für die Dunkle Materie
Wie das Wissenschaftsportal NewAtlas berichtete, habe ein internationales Forschungsteam unter Leitung des Weizmann-Instituts für Wissenschaften in Israel gemeinsam mit Partnern aus Deutschland und den USA erstmals eine nukleare Uhr eingesetzt, um nach Spuren Dunkler Materie zu suchen. Im Zentrum dieser Uhr stehe das Isotop Thorium-229, das eine außergewöhnlich niedrige Anregungsenergie im Atomkern aufweise. Diese Eigenschaft ermögliche es, Übergänge im Kern mithilfe von Lasern zu messen – ein Novum in der Zeitmessung.
Im Gegensatz zu herkömmlichen Atomuhren, die Elektronenbewegungen außerhalb des Atomkerns messen, registrieren nukleare Uhren Veränderungen im Inneren des Kerns. Diese seien laut den Forschern weniger anfällig für äußere Störungen und könnten daher feinste Einflüsse – etwa durch Dunkle Materie – besser erfassen.
Die Signatur im Spektrum
Die Forscher hätten zwei verschiedene Uhren – eine atomare und eine nukleare – parallel betrieben, um minimale Unterschiede in ihren Zeitmessungen zu erkennen. Diese könnten auf die Anwesenheit Dunkler Materie hindeuten. Professor Gilad Perez vom Weizmann-Institut erklärte, dass die wellenartige Natur Dunkler Materie die Masse von Atomkernen geringfügig verändern und dadurch das Absorptionsspektrum beeinflussen könne.
Um diesen Effekt nachzuweisen, habe das Team die Spektren von Thorium-229 aus zwei Labors – dem Weizmann-Institut und der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in Deutschland – analysiert. Dabei sei nicht nur die Position des Resonanzpeaks entscheidend, sondern die gesamte Form des Spektrums, die sogenannte „Lineshape“. Diese könne subtile Hinweise auf bislang unbekannte Kräfte enthalten.
Ein Sprung in der Empfindlichkeit
Die aktuelle Studie habe laut NewAtlas erstmals experimentelle Grenzen dafür gesetzt, wie ultraleichte Dunkle Materie mit Atomkernen wechselwirken könnte. Die bisher verwendeten Spektren wiesen jedoch noch eine relativ breite Linienbreite von etwa 20 Gigahertz auf. Neuere Experimente hätten diese bereits auf 300 Kilohertz reduziert – und künftige Entwicklungen könnten sie auf wenige Hundert Hertz verengen.
Das entspreche einer Verbesserung um acht Größenordnungen – von einem verschwommenen Bergmassiv hin zu einem präzisen Laserstrahl. Mit dieser Genauigkeit könnten nukleare Uhren laut den Forschern zu den empfindlichsten Instrumenten für die Suche nach Dunkler Materie werden.
Ein Fenster ins Unsichtbare
Die Forschergruppe schätze, dass eine voll entwickelte nukleare Uhr Kräfte messen könne, die zehn Billionen Mal schwächer als die Gravitation seien – mit einer Auflösung, die 100.000 Mal höher sei als bei bisherigen Dunkle-Materie-Suchmethoden. Damit eröffne sich ein völlig neues Fenster in bislang unerforschte Bereiche der Physik.
Dr. Wolfram Ratzinger, Mitautor der Studie, betonte laut NewAtlas, dass es nicht ausreiche, nur nach Verschiebungen der Resonanzfrequenz zu suchen. Vielmehr müsse das gesamte Absorptionsspektrum analysiert werden, um die Wirkung Dunkler Materie zu erkennen. Zwar sei ein direkter Nachweis bislang ausgeblieben, doch habe man nun die methodischen Grundlagen geschaffen, um künftige Signale richtig zu deuten.
Die Unterschiede zwischen einer nuklearen und einer atomaren Uhr liegen in der Methode der Zeitmessung und der eingesetzten Technologie. Atomuhren messen die Frequenz von Strahlungsübergängen in freien Atomen, während nukleare Uhren die Frequenz eines Quarzoszillators zur Zeitmessung nutzen. Atomuhren gelten als die derzeit genauesten Uhren und finden Anwendung in Bereichen wie GPS-Technologie und Internet-Datenübertragung. Nukleare Uhren sind zwar weniger direkt für die Zeitmessung geeignet, können aber helfen, grundlegende Naturkräfte zu erforschen.
Die Studie wurde in der Fachzeitschrift Physical Review X veröffentlicht.