Quantentechnologien: Tiefer Blick in die Dunkle Materie

Der Europäische Forschungsrat (ERC) hat das internationale Projekt „Quantum Technologies for Axion Dark Matter Search“, kurz DarkQuantum, zur Förderung mit einem ERC Synergy Grant ausgewählt. An dem Projekt ist der Physiker Professor Wolfgang Wernsdorfer vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT) als leitender Forscher beteiligt. DarkQuantum zielt darauf, mithilfe von Quantentechnologien die Existenz von Axionen experimentell nachzuweisen. Diese bisher hypothetischen Elementarteilchen gelten als vielversprechende Kandidaten für die Dunkle Materie.

Sie durchdringt unser Universum und stellt die Forschung vor große Herausforderungen: die Dunkle Materie. Weil sie kein Licht und auch keine andere elektromagnetische Strahlung aussendet, ist sie unsichtbar. Die Dunkle Materie zeigt sich zwar in vielen astrophysikalischen und kosmologischen Beobachtungen; ihre teilchenphysikalische Beschaffenheit ist aber noch ungeklärt. Nach einer überzeugenden Hypothese besteht die Dunkle Materie aus leichten und mit gewöhnlicher Materie schwach wechselwirkenden Axionen. Dabei handelt es sich um bisher hypothetische Elementarteilchen von geringer Masse. Innerhalb eines starken Magnetfeldes können sich Axionen, so die Hypothese, in elektromagnetische Wellen umwandeln und umgekehrt. In der Theorie spricht vieles für Axionen als Kandidaten für die Dunkle Materie. Der experimentelle Nachweis ihrer Existenz steht allerdings noch aus.

Quantengestützte Haloskope suchen nach Axionen

Nach Axionen zu suchen und ihre Existenz nachzuweisen, ist Ziel des europäischen Projekts DarkQuantum. Professor Wolfgang Wernsdorfer vom Physikalischen Institut des KIT (PHI) fungiert als einer der leitenden Forscher in dem Projekt, das vom Europäischen Forschungsrat mit einem Synergy Grant gefördert wird. „Die Natur der Quantenphänomene zählt zu den großen, ungeklärten und damit besonders faszinierenden Forschungsfragen. Die Arbeit an diesem Thema ist aber auch ein Paradebeispiel für die institutionenübergreifende und internationale Zusammenarbeit in der Wissenschaft. Ich freue mich sehr, dass Wolfang Wernsdorfer und seine Kolleginnen und Kollegen im In- und Ausland gemeinsam einen der renommierten ERC Synergy Grants einwerben konnten“, sagt Professor Oliver Kraft, Vizepräsident Forschung des KIT.

DarkQuantum nutzt Quantentechnologien und kombiniert sie mit Infrastrukturen der Teilchenphysik am CERN und am DESY, um Axionen im galaktischen Halo, das heißt in der äußeren Milchstraße, ausfindig zu machen. Supraleitende Qubits ermöglichen Instrumente, die extrem empfindlich auf winzige Mengen elektromagnetischer Strahlung reagieren, mit einem viel geringeren Hintergrundrauschen als herkömmliche Technologien. Geplant ist, zwei quantengestützte Haloskope zu bauen. Diese Sensoren können die Axionen mit bisher nicht gekannter Empfindlichkeit und Reichweite über ihre Wechselwirkungen mit elektromagnetischen Feldern aufspüren.

Nachweis würde Verständnis der Wirklichkeit grundlegend beeinflussen

„Die Axion-Haloskope verfügen über eine stark heruntergekühlte Vakuumkammer, in der ein starkes Magnetfeld erzeugt wird. In diesem Hohlraum müssten sich Axionen in Photonen umwandeln und über die dadurch erzeugten Oszillationen im elektromagnetischen Feld mithilfe von hochsensitiven Detektoren nachweisen lassen“, erklärt Professor Wernsdorfer. Der Aufbau quantengestützter Instrumente für die Teilchenphysik erfordert eine enge Zusammenarbeit von Expertinnen und Experten verschiedenster Bereiche der Physik von der Tiefsttemperaturkryogenik über Quantenschaltkreise bis zur Teilchenphysik. „Wenn es mit den neuen Strategien des Projekts DarkQuantum gelingt, Axionen experimentell nachzuweisen, wäre dies ein Durchbruch in der Physik, der unser Verständnis der Wirklichkeit grundlegend beeinflussen würde“, sagt Wolfgang Wernsdorfer.

An dem Projekt DarkQuantum sind insgesamt acht europäische Universitäten und Forschungseinrichtungen beteiligt. Die Universidad de Zaragoza in Saragossa/Spanien fungiert als Koordinator; von ihr sowie vom KIT, vom Centre national de la recherche scientifique (CNRS) in Frankreich und von der Universität Aalto in Finnland kommen die leitenden Forschenden. Das Projekt ist auf sechs Jahre angelegt. Die Fördersumme beträgt 12,9 Millionen Euro, davon erhält das KIT rund zwei Millionen Euro.

Zur Person

Professor Wolfgang Wernsdorfer studierte Physik an der Universität Würzburg und an der École normale supérieure de Lyon, promovierte am CNRS in Grenoble und habilitierte an der Université Joseph Fourier in Grenoble. 2004 wurde er Forschungsdirektor am Institut Néel des CNRS in Grenoble. 2016 erhielt er eine Humboldt-Professur am KIT. Er leitet Forschungsgruppen am Physikalischen Institut sowie am Institut für QuantenMaterialien und Technologien des KIT und befasst sich unter anderem mit Quantenbauteilen, basierend auf Halbleitern, Supraleitern und magnetischen Molekülen. Wolfgang Wernsdorfer hat bereits zahlreiche Preise und Auszeichnungen erhalten, unter anderem einen ERC Advanced Grant für ein Projekt am KIT.

ERC Synergy Grants

Der Europäische Forschungsrat fördert mit Synergy Grants vielversprechende Teams von Forschenden. Die Projekte sollen nur in Zusammenarbeit der benannten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler möglich sein. Sie sollen zu Entdeckungen an den Schnittstellen zwischen etablierten Disziplinen und zu wesentlichen Fortschritten an den Grenzen des Wissens führen. Für die Ausschreibung 2023 waren insgesamt 395 Anträge eingegangen; 37 Projekte wählte der ERC für einen Synergy Grant aus. Deutschland ist in 27 der ausgewählten Projekte und damit mit Abstand am stärksten vertreten. An Forschende des KIT geht der prestigeträchtige ERC Synergy Grant nun bereits zum dritten Mal.

Als „Die Forschungsuniversität in der Helmholtz-Gemeinschaft“ schafft und vermittelt das KIT Wissen für Gesellschaft und Umwelt. Ziel ist es, zu den globalen Herausforderungen maßgebliche Beiträge in den Feldern Energie, Mobilität und Information zu leisten. Dazu arbeiten rund 9 800 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter auf einer breiten disziplinären Basis in Natur-, Ingenieur-, Wirtschafts- sowie Geistes- und Sozialwissenschaften zusammen. Seine 22 300 Studierenden bereitet das KIT durch ein forschungsorientiertes universitäres Studium auf verantwortungsvolle Aufgaben in Gesellschaft, Wirtschaft und Wissenschaft vor. Die Innovationstätigkeit am KIT schlägt die Brücke zwischen Erkenntnis und Anwendung zum gesellschaftlichen Nutzen, wirtschaftlichen Wohlstand und Erhalt unserer natürlichen Lebensgrundlagen. Das KIT ist eine der deutschen Exzellenzuniversitäten.