Omnidirektionales Magnetometer in Brasilien für die Suche nach dunkler Materie im Rahmen von GNOME

• Antragsteller: Dr. Theo Scholtes
• Fachliche Zuordnung: Kern- und Elementarteilchenphysik, Quantenmechanik, Relativitätstheorie, Felder
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 439720477

Das Globale Netzwerk Optischer Magnetometer für Exotische Physik (GNOME) ist eine internationale Kollaboration zur Suche nach Signaturen dunkler Materie (z.B. durch Axionen oder axion-ähnliche Teilchen im Universum gebildete makroskopische Strukturen), welche sich über Spinkopplungen in optisch gepumpten Magnetometern (OPM) manifestieren können. Da in einem einzelnen Magnetometer eine exotische Kopplung nicht zuverlässig von einer lokalen Störung des Magnetfeldes unterschieden werden kann, analysiert GNOME die räumlich-zeitlichen Korrelationen in einer Anordnung weltweit verteilter Sensoren. Derzeit besteht das Netzwerk aus zwölf „Stationen“, d. h. fortgeschrittenen, magnetisch geschirmten OPMs, deren Daten im Server der Kollaboration erfasst werden. Durch die Auswertung der Daten der ersten Langzeitmesskampagnen innerhalb von GNOME zeigen sich Limitierungen im aktuellen Netzwerk: Alle Stationen befinden sich auf der Nordhalbkugel, außerdem besitzen alle sogenannte „tote Zonen“, Winkelbereiche im Raum, in denen die Sensoren blind für exotische (und magnetische) Kopplungen sind. Dies führt zu einer reduzierten totalen und deutlich weniger isotropen Empfindlichkeit des Netzwerks im Koordinatensystem der Erde.Im Projekt soll eine GNOME-Station entwickelt werden, die für diese beiden Einschränkungen Abhilfe schaffen soll: Erstens soll sie im geomagnetischen Observatorium Vassouras des Observatorio Nacional, Brasilien errichtet werden und damit die weltweit erste auf der Südhalbkugel sein. Sie wird dadurch ein starkes Gewicht bei der Rekonstruktion des örtlich-zeitlichen Verlaufs exotischer Kopplungen erhalten und durch (zu erprobende) fortgeschrittene Vetoing-Methoden unter Benutzung vor Ort verfügbarer komplementärer Sensorsysteme die Datenqualität des Netzwerkes stark verbessern (Vassouras ist z. B. Teil von INTERMAGNET, dem internationalen Netzwerk zur Beobachtung des Erdmagnetfeldes). Zweitens soll ein neuer OPM-Aufbau entwickelt und untersucht werden, welcher nicht nur in einer einzigen, sondern allen drei Raumrichtungen (omnidirektional) gleichzeitig sensitiv ist, d. h. keine toten Zonen aufweist. Dies soll durch eine Anordnung basierend auf mehreren miniaturisierten im Leibniz-IPHT hergestellten Alkalidampfzellen gelingen, die durch Einsatz einer neuartigen Methode frei von störendem Übersprechen innerhalb einer gemeinsamen magnetischen Abschirmung betrieben werden können. Im ersten Projektabschnitt soll in Vassouras zunächst ein bereits erprobtes OPM installiert werden, um sicherzustellen, dass dem GNOME-Netzwerk sicher und zeitnah Daten von der Südhalbkugel zur Verfügung stehen werden. Nach der erfolgreichen Demonstration des omnidirektionalen Sensors im Labor soll die Station in Brasilien zum Ende der Projektlaufzeit auf dieses Schema aufgerüstet werden, langfristig an der Datennahme teilnehmen und es so GNOME ermöglichen, Modelle der dunklen Materie mit bis dato unerreichter Empfindlichkeit experimentell zu überprüfen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Brasilien
• Kooperationspartnerin: Dr. Katia Pinheiro