Die Vermessung des Unsichtbaren

In einem Observatorium in Brasilien ist ein Stück Jena angekommen. Forschende des Leibniz-IPHT haben dort eine hochsensitive Messstation installiert. Sie soll Puzzlesteine liefern zu einem der größten Rätsel der modernen Physik.

Als der LKW nach langer Reise endlich vor dem Observatorium in Vassouras in Brasilien steht, hält Theo Scholtes kurz den Atem an. Nicht wegen der Hitze, die ihn und seinen Kollegen Frank Bauer unerwartet angenehm empfängt, sondern wegen der wenigen Zentimeter, die zwischen LKW und Torwand fehlen. „Unser Aufbau hatte da schon rund 9.000 Kilometer hinter sich: per LKW von Jena nach Hamburg, per Frachtschiff über den Atlantik und von Rio de Janeiro weiter ins Landesinnere. Und dann war ausgerechnet das letzte Tor vor dem Ziel fünf Zentimeter zu schmal“, erzählt Theo Scholtes.

Die brasilianischen Forschungspartner organisieren kurzerhand ein kleineres Fahrzeug, laden die Holzkisten um und bringen das empfindliche Gerät sicher ins Innere des Gebäudes. So beginnt die Installation einer neuen GNOME-Station als Teil eines globalen Netzes, das das Unsichtbare sichtbar machen will.

Mit Laserlicht auf der Suche nach Dunkler Materie

GNOME, das steht für Global Network of Optical Magnetometers for Exotic physics searches. Ziel des Projekts: Mit Lasermagnetometern winzige Störungen messen, die entstehen könnten, wenn die Erde durch ein Feld Dunkler Materie fliegt. Dazu werden weltweit hochsensitive Sensoren betrieben, die bestimmte Quantenzustände von Atomen überwachen, und so einen global verteilten Detektor bilden.

„Unsere Station basiert auf einem optisch gepumpten Magnetometer, das Cäsiumatome mit Laserlicht in spezielle Zustände versetzt“, erklärt Theo Scholtes. Änderungen in diesen Zuständen – ausgelöst durch hypothetische Teilchen wie Axionen – könnten Hinweise auf Dunkle Materie geben. Entwickelt, aufgebaut und getestet wurde das System am Leibniz-Institut für Photonische Technologien (Leibniz-IPHT) in Jena. Zentrale Komponenten, darunter rauschärmste Stromquellen und die Laserstabilisierung, wurden am Leibniz-IPHT speziell entwickelt.

Das Unsichtbare vermessen

Dunkle Materie ist eine der größten offenen Fragen der modernen Physik. Sie macht etwa 80 Prozent der Materie im Universum aus und doch weiß niemand genau, woraus sie besteht. Sichtbar ist sie nicht, aber ihre gravitativen Effekte beeinflussen die Bewegung von Galaxien und die Struktur des Kosmos. Wenn es gelingt, Dunkle Materie nachzuweisen, würde das unser Verständnis vom Universum grundlegend verändern können. Die GNOME-Stationen suchen synchron und gezielt nach sehr leichten Teilchen, sogenannten Axionen oder ähnlichen Kandidaten, deren Existenz bislang nur theoretisch vorhergesagt ist.

Sensorik auch für die Medizin im Einsatz

Auch wenn Dunkle Materie bisher nicht direkt nachgewiesen werden konnte, hat sich die am Leibniz-IPHT etablierte Magnetometer-Technologie längst in der Praxis bewährt: In der medizinischen Diagnostik wird sie etwa für die fetale Magnetokardiografie eingesetzt. Mit diesem nichtinvasiven Verfahren lässt sich der Herzschlag ungeborener Kinder messen. In der Geophysik helfen die empfindlichen Sensoren dabei, kleinste Veränderungen im Erdmagnetfeld zu erfassen und verborgene Strukturen im Untergrund sichtbar zu machen.

Die erste Station auf der Südhalbkugel

Die Station im brasilianischen Vassouras ist ein Meilenstein für GNOME. Sie ist die erste dauerhaft aktive Station auf der Südhalbkugel. Für die Triangulation potenzieller Signale, also das genaue Bestimmen ihrer Herkunft, ist das ein entscheidender Fortschritt. „Die geografische Verteilung der Stationen ist enorm wichtig“, betont Scholtes. „So können wir ähnliche Methoden nutzen wie bei der Detektion und Peilung von Gravitationswellen.“

Das Observatório Nacional, Brasiliens nationales Metrologie-Institut, bietet ideale Bedingungen: abgeschirmt von Störfeldern, mit stabiler Infrastruktur und einem engagierten Team vor Ort. Die Zusammenarbeit wurde im Rahmen des DFG-Projekts „RioGNOME“ aufgebaut, das Scholtes am Leibniz-IPHT eingeworben hat. 

In zwei Holzkisten um die Welt

Bevor die Station Daten liefern konnte, mussten erst viele Details vor Ort geklärt werden: stabile Stromversorgung, Internetanbindung, GPS-Zeitsynchronisation. Den eigentlichen Aufbau – verpackt in zwei Holzkisten – haben Theo Scholtes und Frank Bauer gemeinsam mit den Forschenden vor Ort wieder zusammengesetzt und schrittweise in Betrieb genommen. Zahlreiche Parameter wie Lasereinstellungen, Magnetfeldkompensation oder Temperaturkontrolle können die beiden Physiker auch jetzt noch per Fernzugriff aus Jena weiter optimieren.

Die größte Sorge: „Ob nach der langen Reise wirklich alles heil geblieben ist“, sagt Scholtes. Ersatzteile für viele Komponenten hätten sich in Brasilien nicht kurzfristig organisieren lassen. Doch alles funktionierte wie geplant. „Mit der Inbetriebnahme beginnt erst die eigentliche Zusammenarbeit mit dem brasilianischen Team“, sagt Scholtes. Gemeinsame Folgeprojekte haben sie bereits angestoßen.

Thüringer Technologie im globalen Netzwerk

GNOME besteht aktuell aus über einem Dutzend Stationen in mehr als zehn Ländern. Die in Jena entwickelte Station ist nicht nur besonders robust, sondern auch langzeitstabil. Schwankungen in Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Laserleistung und Magnetfeld werden aktiv reguliert. „Wir haben hier viele Erfahrungen aus unserer GNOME-Station in Moxa eingebracht“, erklärt Scholtes. In dem kleinen Ort in Thüringen betreibt das Leibniz-IPHT gemeinsam mit der Universität Jena bereits seit mehreren Jahren eine GNOME-Station, abgeschirmt von städtischen Störquellen und bestens ausgestattet für präzise Langzeitmessungen.

Die Station wurde gemeinsam mit dem brasilianischen Observatório Nacional in Vassouras aufgebaut, in einem geophysikalischen Observatorium mit vorhandener Infrastruktur, abgeschirmt von störenden Magnetfeldern und durchgehend betreut durch wissenschaftliches Personal.

Wissen aus Thüringen für Forschung und Medizin

Die Jenaer Forschenden konnten auf umfangreiche Erfahrungen aus dem Aufbau und der Betreuung einer GNOME-Station im thüringischen Moxa zurückgreifen. Dort arbeitet das Leibniz-IPHT seit mehreren Jahren gemeinsam mit der Friedrich-Schiller-Universität Jena an präzisen Langzeitmessungen. Auch in Brasilien lassen sich viele der Betriebsparameter – etwa Lasereinstellungen, Magnetfeldkompensation oder Temperaturkontrolle – per Fernzugriff aus Jena steuern.

Die Inbetriebnahme markiert zugleich den Beginn einer neuen wissenschaftlichen Kooperation mit dem brasilianischen Observatório Nacional, die mit künftigen gemeinsamen Projekten weitergeführt werden soll.

Die am Leibniz-IPHT entwickelte Magnetometer-Technologie zeigt ihr Potenzial nicht nur in der Grundlagenforschung: In der medizinischen Diagnostik wird sie etwa zur nichtinvasiven Messung des kindlichen Herzschlags im Mutterleib eingesetzt. Auch in der Geophysik kommt sie zum Einsatz, etwa um minimale Veränderungen im Erdmagnetfeld zu erfassen und verborgene geologische Strukturen sichtbar zu machen.

Originalpublikation

Afach, S., et al. „What Can a GNOME Do? Search Targets for the Global Network of Optical Magnetometers for Exotic Physics Searches.“ Annalen der Physik 2400359 (2025). https://doi.org/10.1002/andp.202400359

Weitere Informationen und Kontakt

Pressemitteilung des Leibniz-Instituts für Photonische Technologien (IPHT)

The GNOME Experiment Website