Forschung

Axionen rütteln nicht an Kernspins

29.10.2019 - Ausgefeilte Kernspintechnik grenzt die Suche nach dunkler Materie weiter ein.

Auf der Suche nach dunkler Materie haben Wissenschaftler um 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 viel­versprechendsten Kandidaten gelten heute extrem leichte bosonische Teilchen, etwa 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-(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 Erstautor Antoine Garcon und seine Kollegen mit der ZULF-(zero to ultra low field) NMR-Methode eine etwas exotische Technik. „Die ZULF-NMR bietet ein System, bei dem Kernspins stärker miteinander interagieren als mit einem externen Magnetfeld“, sagt der korrespondierende Autor 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 C-13-Ameisensäure im Hinblick auf Seitenbänder aus, die durch ein oszillierendes Feld dunkler Materie 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 Dmitry Budker keinen Einfluss von dunkler Materie nachweisen. Die Ergebnisse des aktuellen Experiments liefern so allerdings ein weiteres Puzzleteil im Rätsel um dunkle Materie und ergänzen die Ergebnisse aus dem CASPEr Forschungs­programm vom Juni: Hier haben die Forscher einen um mehrere Größen­ordnungen niedrigeren Frequenz­bereich abgesucht und dabei  mit der Komagneto­metrie eine andere spezielle NMR-Methode genutzt.

„Wie ein Puzzle fügen wir im Rahmen des CASPEr Forschungsprogramms verschiedene Bausteine zusammen, um den Suchbereich nach dunkler Materie immer weiter einzuschränken“, so Dmitry Budker. John W. Blanchard ergänzt: „Das ist nur der erste Schritt – wir planen derzeit mehrere vielversprechende Verbesserungen, um unser Experiment noch empfindlicher zu machen.“ 

JGU / DE
 

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