Dunkle Materie ist nur wegen ihrer Effekte auf massereiche astronomische Objekte bekannt, aber muss noch direkt beobachtet oder sogar identifiziert werden. Eine Theorie darüber, was Dunkle Materie sein könnte, spricht dafür, dass es ein als Axion bezeichnetes Teilchen sein könnte. Dieses Axion könnte mit laserbasierten Experimenten nachweisbar sein, die bereits heute existieren. Diese Laser-Experimente sind Gravitationswellen-Observatorien.
Die Jagd nach Dunkler Materie ist im Gange. Es gibt viele Theorien darüber, woraus Dunkle Materie bestehen könnte, aber viele Physiker vermuten, dass Dunkle Materie ein schwach wechselwirkendes Teilchen ist, ein sogenanntes WIMP (weakly interacting massive particle). Das bedeutet, dass es kaum mit normaler Materie interagiert. Wir wissen, dass dies wahr sein muss, weil sie noch nicht direkt beobachtet wurde. Aber Dunkle Materie muss mindestens etwas Masse besitzen, weil ihre Präsenz anhand ihrer gravitativen Anziehungskraft abgeleitet werden kann.
Es gibt enorme Anstrengungen, um WIMPs zu registrieren, darunter am Large Hadron Collider in der Schweiz, aber WIMPs wurden bisher noch nicht beobachtet. Ein alternatives Kandidatenteilchen im Fokus ist das Axion.
“Wir setzen voraus, dass das Axion sehr leicht ist und kaum mit unseren gewohnten Materietypen interagiert. Daher wird es als guter Kandidat für Dunkle Materie betrachtet”, sagte der Assistenzprofessor Yuta Michimura vom Department of Physics an der University of Tokyo. “Wir kennen die Masse des Axions nicht, aber wir vermuten, dass es eine Masse besitzt, die geringer als die des Elektrons ist. Unser Universum ist mit Dunkler Materie gefüllt und man schätzt, dass es circa 500 Gramm Dunkle Materie innerhalb der Erde gibt – das entspricht etwa der Masse eines Eichhörnchens.”
Das Axion scheint ein guter Kandidat für Dunkle Materie zu sein, aber weil es nur sehr schwach mit gewöhnlicher Materie interagiert, ist es außerordentlich schwer nachzuweisen. Deswegen entwickeln Physiker zunehmend kompliziertere Möglichkeiten, um diesen Mangel an Interaktionen auszugleichen und die verräterische Signatur von Dunkler Materie zu finden, die über ein Viertel des beobachtbaren Universums ausmacht.
“Unsere Modelle lassen darauf schließen, dass das Axion die Lichtpolarisation moduliert, also die Ausrichtung der Schwingungen der elektromagnetischen Wellen”, erklärte Koji Nagano, ein Doktorand am Institute for Cosmic Ray Research an der University of Tokyo. Diese Polarisationsmodulation kann verstärkt werden, wenn das Licht in einem optischen Leerraum zwischen zwei parallelen Spiegeln viele Male hin- und herreflektiert wird. Das bekannteste Beispiel für diese Art Leerräume sind die langen Tunnelarme von Gravitationswellen-Observatorien.
Die Forschung zu Dunkler Materie erhält nicht so viel Aufmerksamkeit oder Finanzmittel wie andere praktischere Gebiete wissenschaftlicher Forschung. Aus dem Grund werden viele Ansätze verfolgt, um die Jagd kosteneffizient zu gestalten.
Das ist relevant, weil an anderen theoretischen Möglichkeiten zur Beobachtung von Axionen extrem starke Magnetfelder beteiligt sind, die sich weit ausdehnen. Hier vermuten die Wissenschaftler, dass existierende Gravitationswellen-Observatorien wie das Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) in den USA, Virgo in Italien oder KAGRA in Japan günstig modifiziert werden könnten, um ohne die Beeinträchtigung ihrer eigentlichen Funktion nach Axionen zu suchen.
“Mit unserem neuen Schema könnten wir nach Axionen suchen, indem wir Polarisationsoptiken vor den Photodiodensensoren in Gravitationswellendetektoren einbauen”, beschrieb Michimura. “Der nächste Schritt, den ich gerne sehen möchte, ist die Implementierung von Optiken an einem Gravitationswellendetektor wie KAGRA.”
Diese Idee ist vielversprechend weil die Upgrades an den Gravitationswellen-Observatorien nicht die Empfindlichkeit herabsetzen würden, die sie für ihre Hauptfunktion brauchen – nämlich dem Nachweis ferner Gravitationswellen. Mit Experimenten und Beobachtungen hat man versucht, das Axion zu finden, aber bislang wurde noch kein positives Signal entdeckt. Die bevorzugte Methode der Forscher wäre deutlich präziser.
“Es gibt überwältigende astrophysikalische und kosmologische Belege für die Existenz Dunkler Materie, aber die Frage ‘Was ist Dunkle Materie?’ ist eines der größten bestehenden Probleme in der modernen Physik”, sagte Nagano. “Wenn wir Axione registrieren können und sicher sagen können, dass sie Dunkle Materie sind, wäre das wirklich ein aufregendes Ereignis. Physiker wie wir träumen davon.”
(THK)
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