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Optische Atomuhren sind besonders gut für die Suche nach dunkler Materie geeignet. Dabei wurde bisher nur eine mögliche Kopplung der dunklen Materie an Photonen betrachtet. Jetzt hat ein internationales Team, darunter Forschende der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB), einen neuen Weg gefunden, bei der sie die Kopplung an Bestandteile des Atomkerns untersuchen. Eine Analyse der Daten der optischen Ytterbium-Einzelionenuhr der PTB ergab neue Obergrenzen für die Kopplung von ultraleichter dunkler Materie an Quarks und Gluonen. Die Ergebnisse sind in der aktuellen Ausgabe der renommierten Fachzeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht.
Die Suche nach dunkler Materie zählt zu den zentralen Herausforderungen der modernen Physik. Ein besonders 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 zu kleinsten Oszillationen der Fundamentalkonstanten führen.
Da verschiedene atomare Übergänge unterschiedlich sensitiv auf mögliche Änderungen der Konstanten reagieren, können Vergleiche von Atomuhren für die Suche nach ultraleichter dunkler Materie genutzt werden. Insbesondere optische Atomuhren zeichnen sich durch eine extrem hohe Langzeitstabilität aus und wurden bereits erfolgreich für die Suche nach ultraleichter Materie genutzt. Bisher wurde mit ihnen jedoch nur die Kopplung an Lichtteilchen (Photonen) untersucht.
Ein internationales Team von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern, darunter Forschende der PTB, zeigte nun, dass mit optischen Uhren auch nach Kopplungen von ultraleichter dunkler Materie an die fundamentalen Bestandteile der Atomkerne, Quarks und Gluonen, gesucht werden kann. Diese würden nämlich zu Oszillationen der Kernladungsradien führen, welche wiederum die atomaren Übergänge beeinflussen, auf denen optische Uhren basieren. Eine Analyse bestehender Daten der Ytterbium-Einzelionenuhr der PTB ergab Obergrenzen für die Kopplung von ultraleichter dunkler Materie an Quarks und Gluonen.
Damit etabliert die Arbeit einen neuen Ansatz, optische Uhren zur Suche nach dunkler Materie zu verwenden.
(es/ptb)
Dr. Nils Huntemann, PTB-Arbeitsgruppe 4.43 Optische Uhren mit gespeicherten Ionen, Telefon: (0531) 592-4430, nils.huntemann@ptb.de
A. Banerjee, D. Budker , M. Filzinger, N. Huntemann, G. Paz, G. Perez, S. Porsev, M. Safronova: Oscillating nuclear charge radii as sensors for ultralight dark matter. Phys. Rev. Lett. 135, 223001 (2025), DOI: https://doi.org/10.1103/37vw-gc1r
Die optische Ytterbium-Einzelionenuhr der PTB
Quelle: PTB
Copyright: PTB
Merkmale dieser Pressemitteilung:
Journalisten, Wissenschaftler
Physik / Astronomie
überregional
Forschungsergebnisse
Deutsch
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