Ein internationales Forscherteam unter der Leitung der Universität Zürich und der Hebräischen Universität Jerusalem hat mit dem QROCODILE-Experiment eine beispiellose Empfindlichkeit bei der Suche nach leichten Dunkle-Materie-Teilchen erreicht. Die Wissenschaftler nutzten supraleitende Detektoren, die auf Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt gekühlt wurden, um neue Grenzwerte für die Wechselwirkung von leichten Dunkle-Materie-Teilchen mit gewöhnlicher Materie zu etablieren. Die Ergebnisse dieser Forschung wurden in der renommierten Fachzeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht.
Dunkle Materie, die etwa 85 % der Masse des Universums ausmacht, bleibt eines der größten Rätsel der Physik. Sie ist unsichtbar und interagiert nicht mit elektromagnetischer Strahlung, was ihre Detektion extrem erschwert. Seit Jahrzehnten versuchen Wissenschaftler vergeblich, auch nur eines dieser schwer fassbaren Teilchen nachzuweisen. Das QROCODILE-Experiment (Quantum Resolution-Optimized Cryogenic Observatory for Dark matter Incident at Low Energy) demonstriert einen neuartigen Ansatz in der Jagd nach „leichter“ Dunkler Materie.
Im Zentrum des Experiments steht ein hochmoderner supraleitender Detektor, der in der Lage ist, extrem schwache Energieübertragungen von nur 0,11 Elektronenvolt zu messen. Diese Empfindlichkeit ist millionenfach geringer als die Energien, die typischerweise in Experimenten der Teilchenphysik registriert werden. Diese bemerkenswerte Empfindlichkeit eröffnet neue Wege, die Existenz von extrem leichten Dunkle-Materie-Teilchen zu überprüfen, deren Masse tausendfach kleiner ist als die von Teilchen, die in früheren Experimenten untersucht wurden.
Während des wissenschaftlichen Experiments, das über 400 Stunden bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt lief, registrierte das Team eine geringe Anzahl unerklärlicher Signale. Obwohl diese Ereignisse noch nicht als Manifestationen von Dunkler Materie bestätigt werden können – sie könnten durch kosmische Strahlung oder natürliche Hintergrundstrahlung verursacht werden –, ermöglichen sie bereits die Festlegung neuer Grenzwerte für die Wechselwirkung von leichter Dunkler Materie mit Elektronen und Atomkernen. Ein weiterer Vorteil des Experiments liegt in seiner Fähigkeit, die Richtung eingehender Signale zu bestimmen, was entscheidend ist, um echte Dunkle-Materie-Signale von zufälligem Hintergrundrauschen zu unterscheiden.
Professorin Yonit Hochberg vom Racah Institute of Physics an der Hebräischen Universität, eine der führenden Wissenschaftlerinnen des Projekts, erklärte: „Zum ersten Mal haben wir neue Grenzwerte für die Existenz besonders leichter Dunkle-Materie-Teilchen gesetzt. Dies ist ein wichtiger erster Schritt hin zu größeren Experimenten, die letztendlich die lang ersehnte direkte Detektion erreichen könnten.“ Die nächste Phase des Projekts, NILE QROCODILE, wird die Empfindlichkeit des Detektors weiter erhöhen und das Experiment unterirdisch verlagern, um es vor kosmischer Strahlung zu schützen. Die Forschung an der Universität Zürich und der Hebräischen Universität Jerusalem ist Teil eines globalen Bestrebens, die fundamentalen Bausteine des Universums zu verstehen, wobei die Entwicklung von Detektortechnologien wie SNSPDs (supraleitende Nanodraht-Einzelphotonendetektoren) eine Schlüsselrolle spielt.