Diese spontane Umwandlung von Dunklen Photonen in normale „helle“ Photonen geschieht dann, wenn die Energie der hypothetischen Dunkle-Materie-Teilchen mit der Energie ihres Umfelds so übereinstimmt, dass Resonanzeffekte auftreten. Zeigen müsste sich diese Konversion durch einen lokalen Überschuss an Photonen einer speziellen Wellenlänge und Energie. „Das resultierende Photonen-Signal zeigt eine nahezu monochromatische Energie, die der Masse des Dunklen Photons entspricht“, erklären An und sein Team.
Sonnensonde als Fahnder für Dunkle Materie
An diesem Punkt kommt die NASA-Sonde „Parker Solar Probe“ ins Spiel. Sie umkreist die Sonne auf elliptischen Orbits, die sie bis tief in die solare Korona hineinführen. Dadurch durchquert die Raumsonde ein breites Spektrum an Plasmaenergien und damit potenziell passenden Orten für die Konversion Dunkler Photonen. Die Radiofrequenz-Messinstrumente der Sonde sind zudem perfekt dafür geeignet, den verräterischen Photonenpeak zu detektieren, wie die Physiker erklären.
„Die vor-Ort Messungen der Parker Solar Probe machen die Sonnenkorona im Prinzip zu einem riesigen Haloskop für die Dunkle Materie“, schreiben An und sein Team. Für ihre Studie haben sie Messdaten der Sonde für einen Frequenzbereich von 70 Kilohertz bis 20 Megahertz ausgewertet. „Dank der Parker Solar Probe können wir die Suche damit in Frequenzbereiche ausweiten, die irdische Radioobservatorien und Laborexperimente nicht abdecken können“, erklären die Physiker.
Kein Signal ist auch ein Ergebnis
Das Ergebnis: In den Daten der Sonnensonde fanden sich keine Werte, die auf die Präsenz und Umwandlung von Dunklen Photonen hindeuten. Auf den ersten Blick scheint dies enttäuschend, aber auch dieses Null-Resultat ist eine wichtige Hilfe, wie An und seine Kollegen erklären. Denn damit lässt sich der Massebereich, in dem sich die Teilchen der Dunklen Materie verbergen, weiter eingrenzen als bisher möglich.
Nach Berechnungen von An und seinem Team müssen die hypothetischen Dunklen Photonen leichter als3 x 10-10 Elektronenvolt/c2 oder schwerer als 8 x 10-8 Elektronenvolt/c2 sein. Auch die Bedingungen, unter denen sich die Dunklen Photonen in normale Photonen umwandeln, konnten die Physiker durch ihre Analysen weiter eingrenzen.
Suchbereich weiter eingegrenzt
Damit helfen diese Ergebnisse durchaus dabei, den geheimnisvollen Teilchen der Dunklen Materie auf die Spur zu kommen. Denn eines der größten Probleme ist bisher, dass Physiker nicht wissen, in welchem Massebereich sie nach Dunklen Photonen oder Axionen suchen sollen. Gleichzeitig können die Fahndungsmethoden und Experimente immer nur einen kleinen Massenbereich absuchen. Viele Experimente gehen daher fast schon zwangsweise ins Leere.
Aber je mehr Massenbereiche ausgeschlossen werden, desto gezielter können Physiker nach den Dunklen Photonen suchen. Und auch das Potenzial der Parker Solar Probe und ihrer Flüge durch die Sonnenkorona sind noch nicht voll ausgeschöpft, wie An und seine Kollegen betonen. „Die Mission der Sonnensonde und ihr einzigartiger Einblick in die solare Umgebung bieten uns eine Plattform von unschätzbarem Wert, um die Eigenschaften der Dunklen-Materie-Teilchen im Universum zu erkunden“, konstatieren sie. (Physical Research Letters, 2025; doi: 10.1103/PhysRevLett.134.171001)
Quelle: Physical Research Letters
30. April 2025
– Nadja Podbregar