Ohne dunkle Materie wäre unsere eigene Galaxie, die Milchstraße, nicht in der Lage, den Zusammenhalt ihrer spiralförmigen Struktur aufrechtzuerhalten. Die Arbeiten, an denen Prof. Maia Vergniory vom Institut für Quantenphysik beteiligt ist, bringen die Wissenschaft einer Erklärung dieses Phänomens näher.
Foto: Michel Caron - UdeS
Dank der Entdeckungen des Astronomen Edwin Hubble im Jahr 1929 wissen wir, dass das Universum seit seiner Entstehung expandiert. Doch die anschließenden Messungen der Expansionsgeschwindigkeit offenbarten ein Rätsel, das die wissenschaftliche Gemeinschaft seit Jahrzehnten fasziniert: Gemäß den Gesetzen der Physik ist die beobachtbare Masse des Universums deutlich zu gering, um die gemessenen Geschwindigkeiten zu ermöglichen.
Um das Phänomen zu erklären, postulierten zahlreiche Forscher bereits in den 1930er Jahren die Existenz einer "dunklen Materie", eines Materials, das mit klassischen Mitteln nicht nachweisbar ist und etwa 85 % der Gesamtmasse des Universums ausmachen würde. Diese Materie würde den Zusammenhalt von Strukturen wie Galaxien ermöglichen.
Unter den Hypothesen, die die Natur dieser unbekannten Materie beschreiben, befinden sich die Axionen, theoretische Teilchen, die ursprünglich vorgeschlagen wurden, um das Problem der starken Ladungsparitätssymmetrie (CP) im Standardmodell der Physik zu lösen. Diese Teilchen, nach denen die Forschung seit über 40 Jahren sucht, wären zum Zeitpunkt des Urknalls entstanden.
Bei dem Versuch, sie zu beobachten, hat das internationale Team, zu dem auch Prof. Maia Vergniory von der Fakultät für Naturwissenschaften der UdeS gehört, einen entscheidenden experimentellen Durchbruch erzielt, der die Wissenschaft einem Beweis ihrer Existenz näherbringt. Prof. Vergniory ist Mitautorin einer bahnbrechenden Entdeckung, deren Ergebnisse unser Verständnis eines der größten Rätsel unserer Zeit erhellen könnten. Die Ergebnisse wurden am Freitag, den 10. Januar 2025, in der renommierten Zeitschrift Science veröffentlicht.
"Dies ist ein außergewöhnlicher Fortschritt, denn neben der Erklärung eines wichtigen Rätsels unserer Naturgeschichte hat dieser Durchbruch das Potenzial, erhebliche technologische Fortschritte zu ermöglichen. Die Kristalle, die wir für unser Experiment entwickelt haben, können Photonen in eine einzige Richtung zu ihrem Rand leiten, ohne abzuweichen – eine entscheidende Eigenschaft für die Datenübertragung, die auch das Fehlerrisiko in der Quanteninformatik verringern könnte", erklärt Prof. Maia Vergniory von der Fakultät für Naturwissenschaften.
Um den Durchbruch zu erzielen, hat das Team zunächst geometrische Kristallstrukturen entworfen und hergestellt, die aus einem synthetischen Material bestehen, das für seine magnetischen und optischen Eigenschaften ausgewählt wurde: Yttrium-Eisen-Granat.
Das Team beobachtete, dass sich die Photonen an den dreidimensionalen Rändern dieser Strukturen unidirektional bewegten – beispielsweise nach oben, vorwärts und nach rechts – ohne Phänomene wie Rückstreuung zu erfahren. Dieses Verhalten der Photonen im Kristall entspricht auch dem, was die Theorie für Axionen vorhersagt, was darauf hindeutet, dass die beobachteten Photonen tatsächlich in Photonen umgewandelte Axionen sind.
"Wir kommen dem Tag näher, an dem wir ihre Existenz durch direkte Beobachtung beweisen können, was einen wichtigen Fortschritt in unserem Verständnis der dunklen Materie darstellen würde", sagt Prof. Maia Vergniory.
Der nächste Schritt für das Team besteht darin, die Kristallstrukturen zu optimieren, um sie in Experimenten zu verwenden, die darauf abzielen, Photonen zu detektieren, die unter extremen Bedingungen wie starken Magnetfeldern aus Axionen umgewandelt wurden.
Drei theoretische Kandidaten zur Erklärung der dunklen Materie
Dunkle Materie ist ein mysteriöses Material, das nur durch die gravitativen Effekte, die es auf seine Umgebung ausübt, nachweisbar ist. Obwohl sie noch nie direkt beobachtet wurde, gibt es drei theoretische Teilchen, die als Kandidaten für ihre Existenz gelten:
- Axionen: Hypothetische leichte Teilchen, die zum Zeitpunkt des Urknalls entstanden sind.
- WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles): Massive Teilchen, die schwach interagieren.
- MACHOs (Massive Compact Halo Objects): Kompakte Objekte wie tote Sterne oder Schwarze Löcher (heute als unzureichend zur Erklärung der dunklen Materie angesehen).
Die Forschung, zu der Maia Vergniory beigetragen hat, hat zahlreiche Personen auf drei Kontinenten mobilisiert. Unter der Leitung von Prof. Zhang Baile von der Nanyang Technological University (Singapur) vereinte sie Forscherinnen und Forscher des Max-Planck-Instituts für chemische Physik fester Stoffe (Deutschland), der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich (Schweiz), des Donostia International Physics Center (Spanien), der Universität des Baskenlandes und der Baskischen Stiftung für Wissenschaft (Spanien), der Dongguan University of Technology (China), der Nanjing University (China), der Southern University of Science and Technology (China), der University of Electronic Science and Technology of China und der Westlake University (China).