De jacht op donkere materie is een van de meest opwindende uitdagingen voor de fundamentele fysica in de 21e eeuw. Onderzoekers weten al lang dat het moet bestaan, zoveel astrofysische waarnemingen zouden anders onmogelijk te verklaren zijn. Bijvoorbeeld, sterren roteren veel sneller in sterrenstelsels dan wanneer er maar 'normale' materie zou bestaan.

In totaal, de zaak die we kunnen zien alleen verklaart, maximaal, 20 procent van de totale materie in het universum - wat betekent dat een opmerkelijke 80 procent donkere materie is. "Er is een olifant in de kamer, maar we kunnen hem gewoon niet zien, " zei professor Dmitry Budker, een onderzoeker bij het PRISMA+ Cluster of Excellence van de Johannes Gutenberg University Mainz (JGU) en het Helmholtz Institute Mainz (HIM), het probleem uitleggen waarmee hij en veel van zijn collega's wereldwijd worstelen.

Donkere materie kan bestaan ​​uit extreem lichte deeltjes

Maar tot nu toe weet niemand waaruit donkere materie bestaat. Wetenschappers in het veld overwegen en onderzoeken een hele reeks mogelijke deeltjes die theoretisch in aanmerking zouden kunnen komen als kandidaten. Hiertoe behoren extreem lichtgewicht bosonische deeltjes, momenteel beschouwd als een van de meest veelbelovende vooruitzichten. "Deze kunnen ook worden beschouwd als een klassiek veld dat oscilleert met een specifieke frequentie. Maar we kunnen hier nog geen cijfer op plakken - en daarom de massa van de deeltjes, " legde Budker uit. "Onze basisveronderstelling is dat dit veld van donkere materie gekoppeld is aan zichtbare materie en een uiterst subtiele invloed heeft op bepaalde atomaire eigenschappen die normaal constant zouden zijn."

Budker en zijn team in Mainz hebben nu een nieuwe methode ontwikkeld die ze beschrijven in het huidige nummer van het toonaangevende vakblad Fysieke beoordelingsbrieven . Het maakt gebruik van atomaire spectroscopie en omvat het gebruik van cesiumatoomdamp. Alleen bij blootstelling aan laserlicht van een zeer specifieke golflengte worden deze atomen geëxciteerd. Het vermoeden is dat minieme veranderingen in de corresponderende waargenomen golflengte zouden wijzen op koppeling van de cesiumdamp aan een donkere-materiedeeltjesveld.

"In principe, ons werk is gebaseerd op een bepaald theoretisch model, de hypothesen waarvan we experimenteel testen, " voegde de hoofdauteur van het artikel toe, Dr. Dionysis Antypas. "In dit geval, het concept dat aan ons werk ten grondslag ligt, is het relaxatiemodel dat is ontwikkeld door onze collega's en co-auteurs van het Weizmann Institute in Israël." Volgens de relaxietheorie, er moet een gebied zijn in de buurt van grote massa's zoals de aarde waar de dichtheid van donkere materie groter is, waardoor de koppelingseffecten gemakkelijker waar te nemen en te detecteren zijn.

Eerder ontoegankelijk frequentiebereik gezocht

Met hun nieuwe techniek, de wetenschappers hebben nu toegang tot een tot nu toe onontgonnen frequentiebereik waarin, zoals gepostuleerd in de relaxatietheorie, de effecten van bepaalde vormen van donkere materie op de atomaire eigenschappen van cesium zouden relatief eenvoudig te herkennen moeten zijn. De resultaten stellen de onderzoekers ook in staat om nieuwe beperkingen te formuleren met betrekking tot wat de aard van donkere materie waarschijnlijk zal zijn. Dmitry Budker vergelijkt deze nauwgezette zoektocht met de jacht op een tijger in een woestijn. "In het frequentiebereik dat we in ons huidige werk hebben onderzocht, we hebben donkere materie nog steeds niet gelokaliseerd. Maar tenminste, nu we in dit bereik hebben gezocht, we weten dat we het niet nog een keer hoeven te doen." De onderzoekers weten nog steeds niet waar donkere materie - de tijger in zijn metafoor - op de loer ligt, maar ze weten nu waar het niet is. "We blijven ons richten op het deel van de woestijn waar de tijger het meest waarschijnlijk is. En, op een gegeven moment, we zullen hem vangen, " hield Budker vol vertrouwen vol.