Schon seit Menschengedenken löst der Blick in den Nachthimmel eine magische Faszination und Sehnsucht aus. Heute liefern moderne Raumsonden und Satelliten immer hochauflösendere Bilder und Informationen von Himmelskörpern und Galaxien, die unser Wissen über das Weltall stetig erweitern. Dennoch sind zentrale Fragen zur Entstehung und Entwicklung des Universums noch immer ungeklärt, welche Forschende mithilfe innovativer Technologien entschlüsseln wollen.

„Zahlreiche astronomische Beobachtungen und realistische Modelle zur Entstehung des Weltalls legen den Schluss nahe, dass der direkt beobachtbare Teil des Universums nur einen Bruchteil des gesamten Kosmos ausmacht und ein Großteil aus unbekannter, nicht sichtbarer, sogenannter dunkler Materie besteht“, erklärt Dr. Theo Scholtes, Leiter der Arbeitsgruppe Quantenmagnetometrie aus der Forschungsabteilung Quantensysteme am Leibniz-IPHT. „Während die Existenz dieser dunklen Materie in der Wissenschaft weitgehend akzeptiert wird, ist ihre Natur bislang unklar. Weltweit wird daher in zahlreichen und sehr verschiedenen Experimenten nach ihr gesucht.“

Eine physikalisch gut ­motivierte ­Hypothese ist, dass es sich bei dunkle Materie-Partikeln um sogenannte Axionen oder Axion-ähnliche Teilchen handelt, Teilchen mit sehr kleiner Masse, die in der Lage sein könnten, Strukturen, wie Axionen-Wände oder -Sterne, zu bilden und mit den Spins ­„herkömmlicher“ Atome zu wechselwirken. Mit dem Globalen Netzwerk optischer Magnetometer für die Suche nach exotischer Physik (GNOME) fahnden Forschende derzeit nach Signaturen solcher exotischen Objekte. Dazu verbindet GNOME rund um den Globus derzeit bis zu 17 Stationen mit hochsensitiven optischen Magnetometern miteinander. Eine dieser Stationen betreibt das Leibniz-IPHT am Geodynamischen Observatorium Moxa der Friedrich-Schiller-Universität Jena. „Die erste Version des Aufbaus entwickelte ich als Postdoktorand an der Universität Freiburg (Schweiz) und konnte mit Rückkehr ans Leibniz-IPHT die Arbeiten nahtlos weiterführen. Dafür bin ich beiden Seiten sehr dankbar“, so Dr. Theo Scholtes.

Tritt die Erde durch eine Struktur exotischer Materie, kann diese mit dem in den GNOME-Magnetometern enthaltenen atomaren Gas interagieren. Die sich dabei ändernden optischen Eigenschaften der Atome in den synchronisierten Sensoren werden mittels Laserlicht detektiert. Die Suche nach Korrelationen in den Daten der Stationen erlaubt die Detektion kosmischer Ereignisse und damit Rückschlüsse zu dunkler Materie.

In ersten umfassenden Langzeit-Messungen konnten noch keine exotischen kosmischen Ereignisse beobachtet, jedoch bereits freie Parameter einiger Dunkle-Materie-Modelle eingegrenzt werden. Derzeit arbeitet die Kollaboration daran, die Magnetometer noch deutlich empfindlicher gegenüber exotischen Wechselwirkungen zu machen. So soll die Suche nach dunkler Materie in Zukunft weiter vorangetrieben und ihre Natur aufgeklärt werden.

Neben der Suche nach dunkler ­Materie unterstützen optisch ­gepumpte Magnetometer auch biomedizinische Anwendungen und können kleinste magnetische ­Signale, wie Herz- und ­Gehirnaktivitäten, detektieren.

Im Bild:
Die Atome befinden sich in einer speziellen gläsernen Dampfzelle, die in einem magnetisch 
sehr gut abgeschirmten Aufbau Signalen der exotischen Materie nachspüren.    
©Sven Döring