Woraus besteht die rätselhafte Dunkle Materie, die rund ein Viertel unseres Universums ausmacht? Forschende haben nun einen ungewöhnlichen Ansatz gefunden, um diese Frage zu beantworten: Das Erdmagnetfeld könnte als riesiger Sensor dienen, mit dem diese mysteriösen Teilchen womöglich nachweisbar sind. Wie ein Team um Ariel Arza von der Nanjing Normal University in der Fachzeitschrift »Physical Review Letters« beschreibt, könnte das Erdmagnetfeld Hinweise auf Dunkle Materie enthalten.

Wie der Name nahelegt, ist Dunkle Materie für die Fachwelt bisher nicht sichtbar. Die rätselhaften Teilchen können also nur sehr schwach mit ihrer Umgebung wechselwirken, weshalb sie höchstwahrscheinlich keine – oder nur eine sehr schwache – elektrische Ladung tragen. Es gibt etliche verschiedene Theorien, worum es sich bei Dunkler Materie konkret handeln könnte: dunkle Photonen, sterile Neutrinos, Axionen … Der Fantasie der Forschenden sind kaum Grenzen gesetzt. Auch ultraleichte Teilchen mit nur dem Bruchteil der Elektronenladung sind denkbar. Und diese will das Team um Arza nun aufspüren.

Denn derartige Teilchen könnten sich im Erdmagnetfeld des Planeten gegenseitig vernichten und dabei einen elektrischen Strom mit eigenem Magnetfeld erzeugen. Dieses wäre zwar rund eine Million Mal kleiner als das der Erde, wäre aber durch charakteristische zeitliche Schwankungen nachweisbar. Je leichter die hypothetischen Teilchen, desto stärker müsste das Signal ausfallen.

Die Fachleute haben für ihre Spurensuche keine aufwendigen neuen Experimente aufgebaut, sondern konnten auf bereits existierende Sensoren zurückgreifen. Dafür haben sie unter anderem Daten des Forschungsprojekts SuperMAG genutzt, das weltweit rund 500 Messstationen zur detaillierten Bestimmung des Erdmagnetfelds betreibt. Diese wurden ursprünglich zur Überwachung geomagnetischer Aktivität installiert.

Die Auswertung der Daten stellte das Team vor besondere Herausforderungen. Die Forschenden mussten das natürliche Rauschen des Erdmagnetfelds herausfiltern, da das Magnetfeld durch Sonnenwinde, Ionosphärenströme und menschliche Aktivitäten gestört wird. Dafür entwickelten sie eine ausgeklügelte Analysemethode, die das charakteristische räumliche Muster des vermuteten Signals nutzt – eine Art Fingerabdruck, der sich über die gesamte Erdoberfläche erstrecken sollte. Aber von einem solchen Signal fanden die Fachleute keine Spur.

Doch das hat dem Team ermöglicht, die bislang präzisesten Einschränkungen für die mögliche elektrische Ladung von Dunkle-Materie-Teilchen zu setzen. Falls diese eine Masse von 10^–18 bis 10^–14 Elektronenvolt (eine in der Teilchenphysik übliche Masseneinheit) haben, konnten die Forschenden die bisherigen Eingrenzungen der Ladung um mehr als 13 Größenordnungen verfeinern: Die Teilchen dürften demnach nur eine elektrische Ladung haben, die weniger als 10^–30-mal der Elektronenladung entspricht.

Die neue Arbeit zeigt, wie sich natürliche Phänomene als Detektoren für Grundlagenphysik nutzen lassen – was völlig neue Möglichkeiten eröffnet. Anders als in Laborexperimenten, wo die Signalstärke durch die Größe des Detektors begrenzt ist, profitierten die Forschenden in dieser Arbeit vom enormen Radius der Erde. Sollte diese Version der Dunklen Materie mit einer extrem schwachen Ladung tatsächlich existieren, könnten genauere Messungen des Erdmagnetfelds ihre Entdeckung ermöglichen.