Dunkle Materie macht nach gängigen Modellen rund ein Viertel des gesamten Energieinhalts des Universums aus, ihre Zusammensetzung ist jedoch weiterhin unbekannt. Zwei aussichtsreiche Kandidaten sind extrem leichte Teilchen, die um neunzehn bis einundzwanzig Größenordnungen leichter wären als ein Elektron. Genau solche Massen lassen sich mit Laborexperimenten kaum erreichen, weil die nötigen Magnetfelder nur über kurze Strecken aufrechterhalten werden können. Ein Team aus Japan hat deshalb den Maßstab radikal gewechselt und den gesamten Planeten als Messanordnung verwendet. Die daraus abgeleiteten Grenzen übertreffen alles, was bodengebundene Aufbauten bisher erreicht haben.
Um Dunkle Materie nachzuweisen, setzen klassische Experimente darauf, hypothetische Teilchen in messbares Licht umzuwandeln. Bei Axionen geschieht das über eine Kopplung an das elektromagnetische Feld, weshalb solche Aufbauten starke Magnete verwenden. Der Haken liegt in der Geometrie. Je leichter das gesuchte Teilchen, desto niedriger die Frequenz des erzeugten Signals und desto größer muss das durchsetzte Volumen sein. Bei Massen am unteren Ende der betrachteten Skala entsprechen die Frequenzen dem Bereich von Bruchteilen eines Hertz bis zu einigen Dutzend Hertz, und ein Labormagnet bleibt dafür schlicht zu klein. Das Erdmagnetfeld dagegen durchdringt den gesamten Planeten und reicht weit in den erdnahen Raum hinaus. Es bietet damit ein Volumen, das kein Experiment nachbauen kann.
Hinzu kommt eine zweite Eigenschaft, die den Planeten für diese Suche geeignet macht. Zwischen der leitfähigen Erdoberfläche und der elektrisch leitenden Ionosphäre liegt ein Hohlraum, der elektromagnetische Wellen einschließt und bei bestimmten Frequenzen verstärkt. Dieser Effekt ist als Schumann-Resonanz seit Jahrzehnten bekannt und zeigt seine kräftigste Ausprägung bei etwa acht Hertz. Der Hohlraum wirkt damit wie ein Resonator, der ausgerechnet in dem Frequenzbereich anspricht, in dem ein Signal der gesuchten Teilchen erwartet wird. Bislang ließ sich dieser Vorteil theoretisch nicht ausschöpfen, denn belastbare Vorhersagen existierten nur unterhalb von einem Hertz. Alles darüber blieb rechnerisch unzugänglich, weil die elektrische Leitfähigkeit der Atmosphäre mit der Höhe stark variiert und in den Modellen fehlte.
Die Arbeitsgruppe aus Kyoto, Hiroshima und Narashino entwickelte deshalb einen theoretischen Rahmen, der die höhenabhängige Leitfähigkeit der Luftschichten explizit berücksichtigt. Damit ließ sich zeigen, wie stark der Hohlraum zwischen Erdboden und Ionosphäre ein hypothetisches Signal nahe acht Hertz anhebt, und zugleich der Gültigkeitsbereich verlässlicher Vorhersagen auf etwa dreißig Hertz ausdehnen. Aus dem Modell folgt außerdem eine Eigenschaft, die für die spätere Unterscheidung entscheidend ist: Ein von Axionen erzeugtes Signal sollte je nach geografischer Lage unterschiedlich stark ausfallen, mit den höchsten Amplituden in Südostasien. Ein Signal dunkler Photonen dagegen wäre nahezu überall gleich, weil diese Teilchen elektromagnetische Wellen auch ohne äußeres Magnetfeld erzeugen. Diese Ortsabhängigkeit liefert ein Kriterium, um echte Kandidaten von irdischen Störquellen zu trennen. Wie stark einzelne Messgrößen an unerwarteten Stellen versteckt sein können, zeigte zuletzt auch eine Analyse, bei der eine handelsübliche Wärmebildkamera einen Gravitationswellendetektor empfindlicher machte.
Für die eigentliche Suche griff das Team auf einen ungewöhnlichen Datensatz zurück: langjährige Aufzeichnungen des erdmagnetischen Feldes vom Observatorium Eskdalemuir im Süden Schottlands, einem der ruhigsten magnetischen Standorte Europas. Ausgewertet wurde der Zeitraum von 2012 bis 2022. In einem ersten Schritt entfernten die Forscher künstliche Störungen aus dem Signal, anschließend suchten sie gezielt nach dem, was Dunkle Materie hinterlassen sollte: einem sehr schmalbandigen, über Jahre hinweg stabilen Beitrag bei einer festen Frequenz. Der Rest war statistische Arbeit. Denselben Rahmen übertrugen sie danach auf dunkle Photonen und durchsuchten die identischen Daten nach deren abweichender Signatur. Die methodischen Grundlagen und die Auswertungsstrategie sind in der zugehörigen Fachveröffentlichung zur Signalsuche im Detail dokumentiert.
Das Ergebnis fällt in beide Richtungen bemerkenswert aus. Für Axionen in dem untersuchten Massenbereich konnte das Team die erlaubte Kopplungsstärke an Licht rund hundertfach enger eingrenzen als das beste bisherige bodengebundene Experiment. Damit erreicht die Auswertung ein Niveau, das sonst nur Beobachtungen von Röntgenquellen im Weltall liefern, die allerdings auf zusätzlichen astrophysikalischen Annahmen beruhen. Eine Entdeckung ist das ausdrücklich nicht, denn ein eindeutiges Axionsignal fand sich nicht. In der Analyse der dunklen Photonen tauchten dagegen mehrere Signalkandidaten auf, deren Ursprung bislang ungeklärt bleibt. Ob dahinter tatsächlich Teilchen stecken oder eine bisher übersehene geophysikalische Quelle, muss durch unabhängige Messungen an weiteren Standorten geprüft werden. Genau dafür ist die vorhergesagte Ortsabhängigkeit das entscheidende Werkzeug, denn sie liefert eine überprüfbare Vorhersage statt einer bloßen Zahl.