Forscher zeigen die Möglichkeit auf, Dunkle Materie mithilfe von Quantensensoren zu untersuchen

Etwa 85 % der Materie im Universum besteht aus sogenannter dunkler Materie, die im Gegensatz zu sichtbarer Materie kein Licht emittiert und nur gravitativ wirkt. Dunkle Materie wird indirekt beobachtet, beispielsweise durch Beobachtungen der Rotation von Galaxien, der Dynamik von Galaxienhaufen und durch Gravitationslinsen. Das Fehlen elektromagnetischer Wechselwirkungen macht es schwierig, sie nachzuweisen, und ihre genaue Beschaffenheit ist nach wie vor unbekannt – nämlich woraus sie besteht und welche mikroskopischen physikalischen Prozesse dabei eine Rolle spielen.

Es gibt mehrere Hypothesen über die Natur der Dunklen Materie, von denen eine besagt, dass sie aus sehr leichten Teilchen besteht. Massive Teilchen können gelegentlich mit Detektoren kollidieren und auf diese Weise beobachtet werden. Diese sehr leichten Teilchen würden sich jedoch eher wie Wellen verhalten, sodass solche Kollisionen kaum wahrnehmbar wären. Diese Art von Dunkler Materie könnte subtil mit elektromagnetischen Feldern, Kernspins oder atomaren Energieniveaus interagieren und mit empfindlichen Instrumenten beobachtbare Effekte erzeugen.

Eine neue Studie schlägt den Einsatz hochpräziser Quantensensoren vor, um die Geschwindigkeit und Richtung dieser leichten Dunkle-Materie-Teilchen zu erfassen. Geräte wie Atomuhren, Interferometer und Quantensensoren wären empfindlich gegenüber den kleinen Schwankungen, die durch den Fluss der Dunkle Materie durch die Erde hervorgerufen werden. Mit diesen Geräten wäre es möglich, Dunkle Materie zu untersuchen und ihre kinematischen Eigenschaften zu erforschen.

Dunkle Materie

Dunkle Materie ist ein Bestandteil des Universums, der durch seine Gravitationswirkung auf Galaxien, Galaxienhaufen und die kosmische Mikrowellenhintergrundstrahlung beobachtet wird. Beobachtungsdaten deuten darauf hin, dass sie etwa 85 % der gesamten Materie im Universum ausmacht. Ihre Beschaffenheit ist jedoch nach wie vor unbekannt, da sie nicht oder nur extrem schwach mit elektromagnetischer Strahlung interagiert, was eine direkte Detektion mit herkömmlichen Teleskopen unmöglich macht.

Seit der Einführung der dunklen Materie in das Standardmodell wurden mehrere Hypothesen aufgestellt, um ihre Zusammensetzung zu erklären. Zu den am meisten untersuchten gehören WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles), Teilchen, die nur über die schwache Kraft und die Schwerkraft wechselwirken. Weitere Möglichkeiten sind schwach gekoppelte leichte Teilchen oder ultraleichte Teilchen, die als „fuzzy dark matter” (unscharfe dunkle Materie) bekannt sind. Es gibt auch Hypothesen, die neue Kräfte und Wechselwirkungen in Betracht ziehen, um die Auswirkungen der dunklen Materie zu erklären.

Verteilte Quantensensorik

Verteiltes Quantensensing (DQS) ist ein Ansatz, bei dem mehrere Quantensensoren verwendet werden, die über Quantenverschränkung miteinander verbunden sind. Das Ziel dieses Ansatzes ist es, physikalische Parameter – wie elektromagnetische Felder, Gravitationsstörungen oder räumliche Verschiebungen – mit hoher Präzision zu schätzen. Dank Techniken, die auf der Quantenmechanik basieren, erreichen diese Sensoren eine viel höhere Präzision als herkömmliche Sensoren.

Im Allgemeinen wird DQS bei Beobachtungen eingesetzt, bei denen das Signal sehr schwach ist, wie beispielsweise bei der Detektion von Gravitationswellen oder bestimmten astrophysikalischen Signalen. Einige Labore setzen DQS-Techniken in Atomuhren, Interferometern, Spin-Magnetometern oder atomaren Systemen ein. Dank technologischer Fortschritte können immer mehr Labore DQS für Beobachtungen nutzen, die ein hohes Maß an Präzision erfordern.

Auf der Suche nach dunkler Materie

Kürzlich wurde ein neuer Artikel veröffentlicht, der die Möglichkeit untersucht, DQS zum Auffinden und Untersuchen von dunkler Materie zu nutzen. Die Idee besteht darin, mehrere Detektoren als ein Netzwerk korrelierter Quantensensoren zu betrachten. Diese Detektoren würden als ein einziges System und nicht als separate Experimente fungieren, und durch die Suche nach Quantenkorrelationen zwischen ihnen könnten die Daten Richtungsinformationen liefern. Dieser Prozess könnte dann Informationen über Geschwindigkeit und Ausbreitungsrichtung extrahieren.

Frühere Ansätze verwendeten längliche Detektoren oder klassische Arrays und stützten sich auf Wechselwirkungen zwischen dunkler Materie und gewöhnlicher Materie. Die DQS-basierte Methode ist jedoch allgemeiner und hängt weniger von den spezifischen Details der Wechselwirkung zwischen den beiden Arten von Materie ab. Die in dem Artikel vorgestellten Analysen zeigen, dass diese Quantensensorarchitektur die experimentelle Empfindlichkeit erhöhen kann und Experimente ermöglicht, mit denen die kinematischen Eigenschaften von leichter dunkler Materie kartiert werden können.

Quantencomputing

Die in dem Artikel vorgeschlagene Strategie ähnelt stark einigen Strategien, die in der Quanteninformatik verwendet werden. Die zugrunde liegenden Prinzipien sind dieselben, jedoch mit unterschiedlichen Zielen: Das eine zielt darauf ab, Messungen durchzuführen, während das andere Informationen verarbeitet. Es ist, als würden die Sensoren als räumlich getrennte „physikalische Qubits” fungieren, und die Messung ermöglicht die Extraktion globaler Informationen aus dem System, da diese Sensoren korreliert wären.

Die Technik des verteilten Quantensensors zeigt somit, dass Quantencomputer auch als Werkzeug dienen können. Durch die Erhöhung der experimentellen Empfindlichkeit ermöglicht diese neue Anwendung die detaillierte Untersuchung von Phänomenen, die bisher nur schwer zu beobachten waren. Den Autoren zufolge besteht die Idee darin, die Technik zu erweitern, um auch die Verteilung der dunklen Materie im lokalen Universum zu analysieren.

Quellenhinweis:

Fukuda et al. 2025 Directional Searching for Light Dark Matter with Quantum Sensors, Physical Review Letters