Der Europäische Forschungsrat (ERC) hat eine prestigeträchtige Synergy-Förderung bewilligt, mit der neuartige Quantensensoren für Experimente zur Suche nach Dunkler Materie entwickelt werden sollen. Das Projekt DarkQuantum, das von der Universität Zaragosa in Spanien koordiniert wird, wurde mit fast 13 Millionen Euro gefördert. Ziel ist die Entwicklung neuer Quantensensoren und ihre Anwendung in Experimenten zur Suche nach Axionen, hypothetischen Teilchen, aus denen die Dunkle Materie bestehen könnte. Eines der Experimente, das davon profitiert, ist das Experiment BabyIAXO, ein Observatorium für Dunkle Materie, das bei DESY im Aufbau ist.

Die „Synergy“-Projekte des ERC zielen darauf ab, das Fachwissen mehrerer Hauptforscher:innen (zwischen 2 und 4) zusammenzuführen, um sehr ehrgeizige Forschungsarbeiten in Angriff zu nehmen, die einzeln nicht durchgeführt werden könnten. Der Forscher Igor García Irastorza, Professor für Physik an der Universität Zaragoza und Leiter des bei DESY angesiedelten Internationalen Axion-Observatoriums (IAXO), wird das DarkQuantum-Projekt leiten. Es basiert auf Irastorzas umfassender Erfahrung mit dieser Art von Experimenten und nutzt die jüngsten Innovationen auf dem Gebiet der Quantentechnologien. Neben Irastorza sind drei weitere internationale Experten für verschiedene Aspekte der Quantentechnologien beteiligt, nämlich Takis Kontos von der École Normale Supérieure de Paris, Sorin Paraoanu von der Aalto-Universität in Finnland und Wolfgang Wernsdorfer vom Karlsruher Institut für Technologie.

DarkQuantum wird neue Photonensensoren entwickeln, die auf jüngsten Entwicklungen beruhen, ähnlich denen, die es jetzt ermöglichen, die Quantenbits (oder „Qubits“) zu bauen, aus denen die ersten Quantencomputer bestehen. Diese Sensoren werden anschließend in zwei Experimenten eingesetzt, die mit einer bisher unerreichten Empfindlichkeit nach Axionen aus Dunkler Materie suchen werden. Eines dieser Experimente soll im Canfranc-Untergrundlabor installiert werden und wird das erste seiner Art unter der Erde sein. Das zweite wird im Innern des BabyIAXO-Magneten bei DESY installiert werden. BabyIAXO, eine kleinere Vorabversion des IAXO-Experiments, wurde bereits 2018 vom ERC gefördert.

Dunkle Materie ist ein Hauptbestandteil des Universums und etwa fünfmal häufiger als herkömmliche Materie, wie sie in Sternen und Planeten vorkommt. Ihre Existenz macht sich durch die Anziehungskraft, die sie auf die sie umgebende sichtbare Materie ausübt, bemerkbar, aber woraus sie besteht, bleibt ein Rätsel. Eine Hypothese besagt, dass die Dunkle Materie aus neutralen, sehr leichten Teilchen besteht, die nur sehr schwach mit der gewöhnlichen Materie wechselwirken, den sogenannten Axionen. Der Theorie zufolge könnten Axionen nach dem Urknall in großen Mengen entstanden sein und sich genau wie die von uns beobachtete Dunkle Materie verhalten. Der Nachweis der Existenz von Axionen ist eine der wichtigsten Herausforderungen in der heutigen Teilchenphysik und gehört auch zu den Zielen des DESY-Experiments ALPS II, das derzeit Daten aufnimmt.

Die Theorie sagt voraus, dass Axionen, falls sie existieren, in elektromagnetischen Feldern in Photonen umgewandelt werden könnten (und umgekehrt). Diese Eigenschaft ist entscheidend für die Konzeption von Experimenten, die versuchen, sie nachzuweisen. Die Axionen aus dem Halo der Dunklen Materie, in das unsere Galaxie eingetaucht wäre, würden in resonanten Hochfrequenzhohlräumen, die sich in starken Magneten befinden, in Photonen umgewandelt werden, die man nachweisbaren könnte. Dies ist das Prinzip von „Axion-Haloskopen“ wie BabyIAXO und einer der vielversprechendsten Wege, um Axionen nachzuweisen.

Leider sind die von den meisten theoretischen Modellen vorhergesagten Signale zu schwach für die derzeitigen Sensortechnologien. Die Quantentechnologien ermöglichen jedoch den Bau von Systemen, die extrem empfindlich auf winzige Mengen elektromagnetischer Strahlung reagieren und ein viel geringeres Hintergrundrauschen aufweisen als herkömmliche Technologien. DarkQuantum wird diese Nachweismöglichkeiten auf die Suche nach Axionen anwenden. Wenn es sich bei Axionen tatsächlich um Dunkle Materie handelt, hat DarkQuantum die Chance, eine bedeutende Entdeckung zu machen, die Auswirkungen auf die Teilchenphysik, die Kosmologie und die Astrophysik haben wird.

„Wir freuen uns sehr, Partner dieser renommierten Förderung zu sein“, sagt DESY-Wissenschaftler Axel Lindner, der das ALPS II-Experiment leitet und an BabyIAXO beteiligt ist. „Das Projekt könnte die Suche nach Dunkler Materie entscheidend voranbringen und wird außerdem dazu beitragen, die allgemeine Expertise im Bereich der Quantensensorik bei DESY weiter auszubauen.“