UZH-Detektor sucht nach sehr leichter Dunkle Materie im Universum

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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.

Literatur
Laura Baudis et al. First Sub-MeV Dark Matter Search with the QROCODILE
Experiment Using Superconducting Nanowire Single-Photon Detectors,
Physical Review Letters, 20. August 2025. DOI: 10.1103/4hb6-f6jl