Supraleitende Sensoren können einzelne Photonen mit niedriger Energie detektieren. UZH-Forschende haben diese Fähigkeit nun genutzt, um nach sehr leichten Dunkle-Materie-Teilchen zu suchen.

Rund 80 Prozent der Materie im Universum besteht aus sogenannter Dunkler Materie. Noch immer sind Zusammensetzung und Beschaffenheit der einzelnen Teilchen dieser Substanz ungeklärt und stellen die moderne Physik vor grundlegende Fragen. Um Dunkle Materie nachzuweisen, versucht man Lichtteilchen, die Photonen, zu detektieren, die bei der Kollision eines Dunkle Materie Teilchens mit uns bekannter sichtbarer Materie erzeugt werden.

Bisher haben sich die meisten Experimente auf den Fall konzentriert, dass Dunklen Materie aus Teilchen besteht, deren Massen ungefähr so gross sind wie die bekannter Elementarteilchen. Wären die Teilchen jedoch leichter als ein Elektron, können sie mit dem derzeitigen Standard, nämlich mit Detektoren, die auf flüssigem Xenon basieren, kaum nachgewiesen werden. Noch ist es keinem Experiment gelungen, Dunkle Materie nachzuweisen, aber auch das ist eine wichtige Erkenntnis: man kann schlussfolgern, dass es keine Dunkle-Materie-Teilchen innerhalb des bisher getesteten Massenbereichs und der getesteten Wechselwirkungsstärke gibt.

Neues Gerät reagiert auf Ereignisse mit niedrigerer Energie

Ein internationales Team um Laura Baudis, Titus Neupert, Björn Penning und Andreas Schilling vom Physik-Institut der Universität Zürich kann nun Dunkle Materie in einem weiten Massenbereich unter 1 Megaelektronvolt (MeV) erforschen. Mit einem verbesserten sogenannten supraleitenden Nanodraht-Einzelphotonen-Detektor (SNSPD) erreichten sie eine Schwelle von etwa einem Zehntel der Elektronenmasse, über der Existenz von Dunkle-Materie-Teilchen mit den neuen Erkenntnissen viel unwahrscheinlicher ist. «Das ist das erste Mal, dass wir nach Dunkle-Materie-Teilchen in diesem niedrigen Massebereich suchen können, ermöglicht durch eine neue Detektor-Technologie», sagt Erstautorin Laura Baudis.

Bereits 2022 hatte das Forscherteam in einem Proof of Concept den ersten supraleitenden Nanodraht-Einzelphotonen-Detektor (SNSPD) getestet. Dieser reagiert sehr empfindlich auf Photonen mit niedrigerer Energie: diese erhitzen den Draht lokal ein wenig und lassen so die supraleitende Eigenschaft schlagartig verschwinden. Der Draht wird nomalleitend und der resultierende Anstieg des elektrischen Widerstandes kann gemessen werden.

Kleinste Teilchen der Dunklen Materie nachweisen

Den bisherigen SNSPD haben die UZH-Forschenden nun zur Detektion von Dunkler Materie optimiert. Sie statteten ihn mit supraleitenden Mikrodrähten anstelle von Nanodrähten aus, um seinen Querschnitt zu maximieren. Zudem gaben sie dem Gerät eine dünne, planare Geometrie, die es besonders empfindlich für Richtungsänderungen macht.
Die Forschenden nehmen an, dass sich die Erde durch einen «Wind» von Dunkler Materie bewegt und sich darum der Teilcheneinfall je nach Relativgeschwindigkeit im Jahreszyklus verändert. Ein richtungssensitiver Detektor kann darum helfen, Ereignisse herauszufiltern, die nichts mit Dunkler Materie zu tun haben.

«Durch weitere technische Verbesserungen am SNSPD könnte es in Zukunft möglich sein, Signale von Dunkler-Materie-Teilchen mit noch kleinerer Masse zu detektieren. Zudem wollen wir das System unterirdisch einsetzen, wo es von besser von Störfaktoren isoliert ist», sagt Neupert. Für Massen kleiner als die Elektronenmasse sind die bisherigen Modelle zur Beschreibung von Dunkler Materie mit grossen astrophysikalischen und kosmologischen Einschränkungen konfrontiert.