Er is zeer weinig bekend over de exacte aard van donkere materie. Momenteel, enkele van de meest veelbelovende kandidaten voor donkere materie zijn extreem lichte bosonische deeltjes zoals axions, axion-achtige deeltjes of zelfs donkere fotonen. "Deze kunnen ook worden beschouwd als een klassiek veld dat oscilleert met een bepaalde frequentie. Maar we kunnen deze frequentie nog niet berekenen - en dus de massa van de deeltjes, " legt professor Dmitry Budker uit. "Dat is de reden waarom in het CASPEr-onderzoeksprogramma we onderzoeken systematisch verschillende frequentiebereiken op zoek naar hints van donkere materie."

De groep van Budker zoekt naar donkere materie via het Cosmic Axion Spin Precession Experiment (CASPEr). De CASPEr-groep voert hun experimenten uit in het PRISMA+ Cluster of Excellence aan de Johannes Gutenberg University Mainz (JGU) en het Helmholtz Institute Mainz (HIM). CASPEr is een internationaal onderzoeksprogramma dat nucleaire magnetische resonantietechnieken gebruikt om donkere materie te identificeren en te analyseren.

Het CASPER-team ontwikkelt speciale nucleaire magnetische resonantie (NMR) technieken, elk gericht op een specifiek frequentiebereik en dus op een specifiek bereik van donkere materiedeeltjesmassa's. NMR vertrouwt in het algemeen op het feit dat kernspins reageren op magnetische velden die oscilleren met een specifieke resonantiefrequentie. De resonantiefrequentie wordt afgestemd via een tweede, meestal statisch magnetisch veld. De basisgedachte van het CASPER-onderzoeksprogramma is dat een veld van donkere materie de kernspins op dezelfde manier kan beïnvloeden. Terwijl de aarde door dit veld beweegt, kernspins gedragen zich alsof ze een oscillerend magnetisch veld zouden ervaren, waardoor een door donkere materie geïnduceerd NMR-spectrum wordt gegenereerd.

In het huidige werk eerste auteur Antoine Garcon en zijn collega's gebruikten een meer exotische techniek:zero-to-ultralow-field (ZULF) NMR. "ZULF NMR zorgt voor een regime waarin kernspins sterker met elkaar interageren dan met een extern magnetisch veld, " zegt de corresponderende auteur Dr. John W. Blanchard. "Om de spins gevoelig te maken voor donkere materie, we hoeven maar een heel klein extern magnetisch veld aan te leggen, dat is veel gemakkelijker te stabiliseren."

Verder, voor het eerst onderzochten de onderzoekers ZULF NMR-spectra van 13C-mierenzuur met betrekking tot door donkere materie geïnduceerde zijbanden, gebruikmakend van een nieuw analyseschema om zijbanden van willekeurige frequentie coherent te middelen over meerdere metingen.

Deze specifieke vorm van zijbandanalyse stelde de wetenschappers in staat om te zoeken naar donkere materie in een nieuw frequentiebereik. Er is geen signaal van donkere materie gedetecteerd, zoals het CASPEr-team meldt in de laatste editie van wetenschappelijke vooruitgang , waardoor de auteurs ultralichte donkere materie kunnen uitsluiten met koppelingen boven een bepaalde drempel. Tegelijkertijd, deze resultaten vormen een nieuw stukje van de puzzel van donkere materie en vormen een aanvulling op eerdere resultaten van het CASPEr-programma dat in juni werd gerapporteerd, toen de wetenschappers nog lagere frequenties verkenden met behulp van een andere gespecialiseerde NMR-methode, comagnetometrie genaamd.

"Als een legpuzzel, we combineren verschillende onderdelen binnen het CASPEr-programma om de reikwijdte van het zoeken naar donkere materie verder te beperken, " stelt Dmitry Budker vast.

John Blanchard voegt toe, "Dit is slechts de eerste stap. We voeren momenteel verschillende veelbelovende wijzigingen door om de gevoeligheid van ons experiment te vergroten."