Ein Thorium-Kern tickt jetzt wirklich - und jagt die dunkle Materie

Was wäre, wenn die genaueste Uhr der Welt nicht mehr mit den Hüllen von Atomen schlägt, sondern mit ihrem tiefsten Inneren? Während Atomuhren längst die Grundlage für GPS, Navigation und Grundlagenforschung bilden, tickt in Laboren in Wien und Peking erstmals zuverlässig ein neuartiger Taktgeber: eine Kernuhr, die nicht die Elektronen einer Atomhülle, sondern den Thorium-229-Kern selbst in Schwingung versetzt. Der Traum, den Physiker erstmals 2003 formulierten, ist Realität geworden - und er könnte die Jagd nach der rätselhaften dunklen Materie grundlegend verändern.

Zwei unabhängige Teams melden jetzt den Durchbruch. Die Gruppen um Thorsten Schumm von der TU Wien sowie um Shiqian Ding von der Tsinghua-Universität in Peking haben erstmals den entscheidenden Regelkreis geschlossen, der einen Atomkern als Taktgeber nutzt. „In einigen Arten von Messungen übertreffen wir bereits alle Atomuhren“, sagte Schumm dem Fachmagazin Science News. Die Arbeiten, eingereicht am 3. und 7. Juni 2026 auf dem Preprint-Server arXiv.org, sind zwar noch nicht von Gutachtern geprüft, gelten aber unter Fachleuten als sensationell.

Warum ein Kern das bessere Pendel ist

Das Prinzip jeder Atom- oder Kernuhr gleicht dem einer Standuhr: Ein schwingendes Pendel gibt den Takt vor. In Atomuhren übernehmen das die elektromagnetischen Wellen eines Lasers, deren Frequenz auf einen Energieübergang in der Elektronenhülle eines Atoms fixiert wird. In der Kernuhr hingegen springt kein Elektron, sondern der gesamte Kern - also die Protonen und Neutronen - zwischen zwei Energieniveaus hin und her. Um diesen Sprung mit Laserlicht anregen zu können, muss der Energiesprung exakt die richtige Größe haben. Im gesamten Periodensystem erfüllt nur ein einziges Isotop diese Bedingung: Thorium-229.

Dass es ausgerechnet dieser exotische Kern sein muss, erklärt die jahrzehntelange Verzögerung. Während Atomuhren auf bewährte Technologien mit gefangenen Ionen oder neutralen Atomen in Vakuumkammern zurückgreifen, ließen sich Kernuhren bis vor Kurzem nicht realisieren. Die beiden Teams setzen nun auf einen kompakten Festkörper: Kalziumfluorid-Kristalle, die mit Thorium dotiert sind. Diese Kristalle werden mit einem Laser abgetastet, dessen Frequenz ständig nachjustiert werden muss, um auf dem Energieübergang des Kerns „einzurasten“. Genau diese Rückkopplungsschleife - „der letzte fehlende Schritt, bevor man sie eine tatsächliche Uhr nennen kann“, wie der Physiker Lars von der Wense von der Johannes Gutenberg-Universität Mainz betont - ist jetzt gelungen.

Was Kernuhren so besonders macht

Kernuhren könnten schon bald in mehreren Disziplinen neue Maßstäbe setzen. Anders als Elektronen sind Atomkerne kaum anfällig für äußere elektromagnetische Störfelder. Eine Kernuhr kann deshalb robuster und potenziell auch transportabler gebaut werden als herkömmliche Atomuhren, die unter anderem wegen ihrer Vakuumkammern sehr empfindlich und klobig sind. Außerdem unterliegen Kerne anderen fundamentalen Kräften: Während Elektronen vor allem der elektromagnetischen Wechselwirkung gehorchen, bestimmt bei Protonen und Neutronen die starke Kernkraft das Verhalten. Vergleicht man eine Kernuhr mit einer Atomuhr, können Physiker winzige Veränderungen in den sogenannten fundamentalen Konstanten aufspüren - jenen Naturkonstanten, die das Verhältnis der Kräfte im Universum festlegen.

Eine solche Veränderung könnte durch ultraleichte dunkle Materie hervorgerufen werden, jene unsichtbare Substanz, die vermutlich einen Großteil der Materie im Kosmos ausmacht. Genau hier setzte Schümms Team seine ersten Messungen an. „Wir suchten nach Hinweisen auf dunkle Materie, fanden aber keine“, berichtet der Forscher. Die Sensitivität ihrer noch jungen Kernuhr für bestimmte Kandidaten dunkler Materie reiche jedoch bereits an die der besten Atomuhren heran oder übertreffe sie sogar. Der Theoretiker Victor Flambaum von der University of New South Wales in Sydney, der nicht an der Studie beteiligt war, spricht von einem „herausragenden Ergebnis“ und fügt hinzu: „Das Rennen um den Bau supergenauer Kernuhren hat gerade erst begonnen.“

Zwei Ansätze, ein Ziel

Die beiden konkurrierenden Teams verfolgen leicht unterschiedliche Strategien. Ding und Kollegen setzen auf einen wesentlich leistungsstärkeren Laser, während die Wiener Gruppe eine höhere Thorium-Konzentration in ihren Kristallen erreichte. In der Leistungsfähigkeit ihrer Uhren unterscheiden sie sich bislang kaum. In puncto reiner Zeitmessung bleiben die besten Atomuhren zwar noch vorn, doch Fachleute erwarten rasante Fortschritte, sobald bessere Laser und Kristalle verfügbar sind. Ekkehard Peik von der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt in Braunschweig, einer der Väter der Kernuhr-Idee von 2003 und Mitautor der neuen Arbeit von Schumm, zeigt sich optimistisch: „Ich bin sicher, dass diese Dynamik anhalten wird und dass eine Menge faszinierender Forschung erst am Anfang steht.“

Vom Labortisch zur Grundlagenphysik

Die Bedeutung der neuen Uhren reicht weit über die Zeitmessung hinaus. Weil Kerne kompakter und weniger störanfällig sind als Atomhüllen, eröffnen sich Perspektiven für mobile, robuste Präzisionsinstrumente - denkbar für die geodätische Vermessung der Erde, die Navigation oder Tests von Einsteins Relativitätstheorie unter Extrembedingungen. Vor allem aber sind sie ein neues Mikroskop für fundamentale physikalische Fragen: Wie stabil sind die Naturkonstanten wirklich? Gibt es eine fünfte Grundkraft? Die Kernuhr könnte die Antworten liefern, gerade weil sie das empfindliche Gleichgewicht zwischen starker Kernkraft und elektromagnetischer Kraft direkt misst.

Der Weg hierher war lang. Seit dem ersten theoretischen Vorschlag 2003 vergingen Jahre mit zunächst zähen Fortschritten. Erst in jüngster Zeit gelang es, den Thorium-Kern überhaupt mit Laserlicht anzuregen und die nötige Frequenz genau zu bestimmen. „Ich war immer optimistisch, was den Erfolg dieses Projekts angeht“, resümierte Peik. Jetzt, da die erste Kernuhr real tickt, scheint sein Optimismus mehr als berechtigt - das wahre Potenzial dieser Zeitmesser liegt nicht im Sekundenbruchteil, sondern in den tiefen Rätseln des Kosmos, die sie vielleicht bald enthüllen werden.

Quellen:

• NASA reveals Artemis III crew for one of the most complex space missions ever (ScienceDaily - All)
• Clocks made from an atomic nucleus just ticked on for the first time (Science News)
• ILA Berlin 2026: in-flight call with ESA Astronaut Sophie Adenot (ESA - Space News)
• Earth’s energy imbalance has doubled - here’s why that matters (Phys.org)
• ESA at ILA 2026 - Day 2 highlights (ESA - Space News)
• Hubble Sees Swarm of Galaxies (NASA - Breaking News)

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