Forschende entwickeln 3D-gedrucktes Vakuumsystem, das dunkle Materie einfangen soll

Mithilfe eines speziell entwickelten 3D-gedruckten Vakuumsystems haben Forschende eine Möglichkeit entwickelt, dunkle Materie “einzufangen”, um Domänenwände aufzuspüren, was einen bedeutenden Schritt zur Entschlüsselung einiger Geheimnisse des Universums darstellt.

Das Team der School of Physics der Universität Nottingham plant, dieses Vakuumsystem zu nutzen, um die Gasdichte zu verringern und ultrakalte Lithiumatome einzuführen, um nach Dunklen Wänden zu suchen.

Professorin Clare Burrage von der Fakultät für Physik ist eine der Hauptautoren der Studie und erklärt: “Die gewöhnliche Materie, aus der die Welt besteht, macht nur einen winzigen Teil des Inhalts des Universums aus, etwa 5 %, der Rest ist entweder dunkle Materie oder dunkle Energie – wir können ihre Auswirkungen auf das Verhalten des Universums sehen, aber wir wissen nicht, was sie sind. Eine Möglichkeit, die dunkle Materie zu messen, besteht darin, ein Teilchen namens Skalarfeld einzuführen.

Dunkle Materie ist die fehlende Masse in Galaxien, dunkle Energie kann die Beschleunigung der Expansion des Universums erklären. Die Skalarfelder, nach denen wir suchen, könnten entweder dunkle Materie oder dunkle Energie sein. Durch die Einführung der ultrakalten Atome und die Untersuchung der von ihnen erzeugten Effekte können wir vielleicht erklären, warum sich die Expansion des Universums beschleunigt und ob dies Auswirkungen auf die Erde hat.”

Die Konstruktion der 3D-gedruckten Gefäße basiert auf der Theorie, dass leichte Skalarfelder, die Doppeltopf-Potentiale und direkte Materiekopplungen aufweisen, dichtegetriebene Phasenübergänge durchlaufen, was zur Bildung von Domänenwänden führt.

Professor Burrage fährt fort: “Wenn die Dichte sinkt, bilden sich Defekte – ähnlich wie beim Gefrieren von Wasser zu Eis: Wassermoleküle sind zufällig angeordnet, und wenn sie gefrieren, entsteht eine Kristallstruktur mit zufällig aufgereihten Molekülen, von denen einige in die eine und andere Richtung angeordnet sind, wodurch Verwerfungen entstehen. Etwas Ähnliches passiert in Skalarfeldern, wenn die Dichte geringer wird. Man kann diese Verwerfungslinien nicht mit dem Auge sehen, aber wenn Teilchen sie überqueren, kann sich ihre Flugbahn ändern. Diese Defekte sind dunkle Wände und können die Theorie der Skalarfelder beweisen – entweder dass diese Felder existieren oder nicht.”

Um diese Dunklen Wände zu detektieren, haben die Forschenden ein spezielles Vakuumsystem entwickelt, das eine dichte Umgebung simuliert, die sich allmählich verdünnt. Dabei werden Lithiumatome mit Laserphotonen auf nahe -273°C gekühlt, was ihnen quantenmechanische Eigenschaften verleiht und die Analyse präziser und vorhersagbarer macht.

Lucia Hackermüller, außerordentliche Professorin an der Fakultät für Physik, hat das Laborexperiment konzipiert. Sie erklärt: “Die 3D-gedruckten Gefäße, die wir als Vakuumkammer verwenden, wurden anhand theoretischer Berechnungen der dunklen Wände konstruiert. Um erfolgreich zu demonstrieren, dass die dunklen Wände eingefangen wurden, werden wir eine kalte Atomwolke durch diese Wände hindurchlassen. Die Wolke wird dann abgelenkt. Um die Atome abzukühlen, feuern wir Laserphotonen auf die Atome, was die Energie im Atom reduziert – das ist so, als würde man einen Elefanten mit Schneebällen abbremsen!

Unabhängig davon, ob wir beweisen können, dass es dunkle Wände gibt oder nicht, ist dies ein wichtiger Schritt nach vorn in unserem Verständnis von dunkler Energie und dunkler Materie und ein hervorragendes Beispiel dafür, wie ein gut kontrolliertes Laborexperiment so gestaltet werden kann, dass es Effekte direkt messen kann, die für das Universum relevant sind und sonst nicht beobachtet werden können.”

Der Aufbau des Systems dauerte drei Jahre, und die Forschenden erwarten innerhalb eines Jahres erste Ergebnisse.