Thoriumuhren schärfen Suche nach Dunkler Materie

Jede Uhr braucht eine verlässliche Referenz: ein Pendel, einen schwingenden Quarzkristall oder, bei den besten Atomuhren, die genaue Frequenz des Lichts, das ein Atom absorbiert. Teams in Wien und Peking haben nun Uhren gebaut, deren Taktgeber der Kern von Thorium-229 ist (Wien, Nature, Peking, Nature). Sie gehen noch ungenauer als die besten Atomuhren. Mit der Wiener Uhr ließ sich jedoch eine bestimmte Art der Suche nach dunkler Materie gegenüber früheren Atomuhrenexperimenten um den Faktor 100 bis 1.000 empfindlicher machen (Nature).

Den Takt eines Atomkerns messen

Eine Atomuhr funktioniert ähnlich wie ein Musiker, der sein Instrument auf einen Referenzton stimmt. Ein Laser wird so eingestellt, dass seine Frequenz derjenigen des Lichts entspricht, das die Elektronen im Atom absorbieren. Ein Rückkopplungssystem hält ihn auf dieser Frequenz. Die gleichmäßigen Schwingungen des Lasers geben den Takt vor.

Übergänge in Atomkernen erfordern normalerweise weit mehr Energie, als Laser liefern können. Als Referenzsignal kamen Atomkerne deshalb bislang kaum infrage. Thorium-229 bildet die Ausnahme: Sein Kern hat einen Übergang bei etwa 8,4 Elektronenvolt, den ultraviolettes Licht anregen kann (Physical Review Letters).

Frühere Experimente hatten diesen Übergang bereits nachgewiesen, konnten ihn aber nur langsam auslesen: Sie mussten etwa zehn Minuten warten, bis angeregte Atomkerne Licht abgaben (TU Wien). Die neuen Uhren messen stattdessen die Absorption und erfassen, wie viel ultraviolettes Licht die in einen Kristall eingebetteten Thoriumkerne aufnehmen. Das Signal kommt unmittelbar. So können die Kerne den Laser während des Betriebs nachregeln, ein Fortschritt, über den wir diese Woche berichtet haben (To Brief).

Die Wiener Uhr lief mehr als 24 Stunden ohne Eingriff (TU Wien). Das Team in Peking erzeugte das ultraviolette Licht mit einem anderen Verfahren. Eine funktionierende Kernuhr hängt damit nicht von der Ausstattung eines einzelnen Labors ab.

Ein ganzer Tag auf der Suche nach einem Schwanken

Anschließend ließ Wien die Kernuhr parallel zu einer Atomuhr mit Ytterbium-Ionen beim BEV laufen, Österreichs Metrologieamt. Reagieren beide Uhren gleich auf ihre Umgebung, bleibt das Verhältnis ihrer Taktfrequenzen konstant. Driftet oder schwankt es, wirkt etwas unterschiedlich auf Atomkerne und Elektronen.

Thorium reagiert besonders empfindlich auf solche Unterschiede. Sein kleiner Energieabstand bleibt übrig, nachdem sich viel größere Beiträge fast vollständig aufgehoben haben. Das ähnelt einem Kontostand, der sich aus der Differenz zweier enormer Zahlen ergibt: Schon eine kleine Änderung an einer Zahl kann den Saldo stark verschieben. Theoretischen Berechnungen zufolge würde deshalb eine winzige Veränderung der Naturkonstanten die Kernfrequenz weit stärker verschieben als eine elektronische Frequenz.

Manche Modelle dunkler Materie beschreiben ein unsichtbares Feld, das den Raum erfüllt und langsam schwingt. Dadurch würden sich die Naturkonstanten verändern. Existierte ein solches Feld, müsste das Verhältnis der beiden Uhren im selben Takt schwanken.

In rund 23 Stunden Messzeit lag kein Schwanken über dem Rauschen (arXiv). Auch ein Nullbefund sagt etwas aus: Er schließt Varianten dunkler Materie aus, die ein sichtbares Signal erzeugt hätten. Der große Empfindlichkeitsgewinn betrifft dunkle Materie, die über die starke Wechselwirkung koppeln würde, jene Kraft, die Atomkerne zusammenhält. Er gilt zudem nur für einen Teil des möglichen Massenbereichs. Bei einer Wechselwirkung mit Licht erreichen die neuen Grenzen lediglich das Niveau früherer Atomuhrenexperimente. Wie eng sie ausfallen, hängt auch von theoretischen Schätzungen zur Empfindlichkeit des Thoriumkerns ab (Nature-Peer-Review-Unterlagen).

Warum die neuen Uhren noch driften

Beide Kernuhren driften deutlich stärker als die besten Atomuhren, etwa eine Aluminium-Ionen-Uhr am NIST (NIST). Ein Grund ist das schwache Absorptionssignal: Um die Mitte der Linie zu bestimmen, müssen die Uhren kleinste Änderungen des gemessenen Lichts erfassen.

Der Kristall verursacht ein weiteres Problem. Die Thoriumkerne sitzen in leicht unterschiedlichen Umgebungen und geben deshalb nicht alle genau denselben Ton ab. In Wien verschob sich die Linie um bis zu etwa 1,7 Kilohertz, je nachdem, an welcher Stelle der Laser den Kristall durchquerte (Nature).

Die Linienbreite beschreibt, wie scharf eine Frequenz hervortritt: Eine schmale Linie entspricht einem klaren Ton, eine breite verteilt das Signal über mehr Frequenzen und erschwert die Stabilisierung. In einem noch nicht begutachteten Preprint von Forschern des JILA und der TU Wien verbreiterte sich ein Übergang über drei Kristalle mit steigender Thoriumkonzentration von 28,6 auf 94,8 Kilohertz (arXiv). Ekkehard Peik von der PTB hat Linienbreiten von mehreren zehn Kilohertz der erwarteten natürlichen Kernlinienbreite gegenübergestellt, die deutlich unter einem Hertz liegen dürfte (Physics World).

Die ersten Kernuhren gehen noch ungenau, sind aber bereits als Forschungsinstrumente im Einsatz. Ein einziger Messtag, an dem der Kern mit den Elektronen eines Atoms verglichen wurde, hat einige Grenzen dafür enger gezogen, wie stark dunkle Materie auf die starke Wechselwirkung einwirken könnte. Die schwachen Signale und die Kristalle, in denen die Kerne sitzen, halten die Uhren jedoch weit von der scharfen Linie entfernt, die Thorium grundsätzlich bieten könnte.