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Suche nach Axionen

10.11.2020 - MADMAX-Testaufbau kommt ans CERN.

Ob Axionen existieren ist bislang offen. Wenn sie existieren, könnten sich zwei offene Flanken in der Teilchen­physik schließen: das Rätsel, woraus dunkle Materie besteht – und die Frage, warum die starke Wechsel­wirkung ein besonderes Merkmal aufweist. Im inter­natio­nalen Projekt MADMAX wird derzeit unter Feder­führung des Max-Planck-Instituts für Physik eine Such­maschine für diese bisher rein hypo­the­tischen Teilchen entwickelt. Die Kollabo­ration erhält nun wichtige Unter­stützung vom CERN.

Axionen wurden ursprünglich einge­führt, um die Sonder­rolle der starken Wechsel­wirkung bezüglich der CP-Symmetrie zu erklären. Sie lassen sich nur schwerlich mit anderen Teilchen­arten vergleichen. Die Masse eines Axion-Teilchens wird irgendwo zwischen einem Mikro­elektronen­volt und 15 Milli­elektronen­volt verortet. Damit liegt das Axion deutlich unter der Masse des leichtesten bekannten Teilchens, des Neutrinos. Der Theorie nach sollten im frühen Universum extrem viele Axionen entstanden sein.

Um Axionen nachzuweisen, machen sich die Wissen­schaftler eine Eigen­heit der Quanten­mechanik zunutze: Gewisse Teilchen mit gleichen Quanten­zahlen können sich inein­ander verwandeln. So lässt sich das Axion auch als eine Mischung aus Axion und einem sehr geringen Anteil von zwei Photonen beschreiben. „Das führt dazu, dass sich in einem starken Magnetfeld Axionen in Photonen verwandeln können. Diese können dann prinzi­piell mit empfind­lichen Detektoren in Form von Radio­wellen nach­ge­wiesen werden“, erklärt Béla Majorovits, Wissen­schaftler am MPI für Physik und Sprecher von MADMAX.

An einem solchen Axion-Photon-Umwandler wird derzeit im Rahmen des inter­natio­nalen MADMAX-Projekts gearbeitet. An einem Über­gang zwischen zwei Medien, zum Beispiel Luft und Saphir, erzeugt der Photonen­anteil der Axionen Radio­wellen. Um dieses äußerst schwache Signal zu messen, müssen viele solcher Medien­über­gänge in Resonanz geschaffen werden.

Die MADMAX-Kollaboration wurde 2017 gegründet. Derzeit entsteht der erste Prototyp. Er besteht aus einem Spiegel und aus bis zu zwanzig Scheiben aus Saphir oder Lanthan­aluminat mit einem Durch­messer von dreißig Zenti­meter. Als Test­magnet stellt das CERN der Kolla­bo­ration nun einen 1,6 Tesla starken Dipol-Magnet mit hinreichend großer Öffnung zur Verfügung. Dieser Morpurgo-Magnet gehört zur Ausrüstung des H8-Teststrahls am SPS-Ring. Letzterer dient auch als Vor­beschleuniger des Large Hadron Collider.

„Die Genehmigung, unseren Aufbau im Morpurgo-Magnet am CERN testen zu können ist ein sehr wichtiger Schritt für unser Vorhaben. Wir werden unser Konzept und die verwendeten Techno­logien auf das sorg­fältigste über­prüfen können – eine wichtige Vorarbeit, um Entschei­dungen für das eigent­liche Experi­ment zu treffen. Außerdem sollten wir auch eine erste Suche nach einem weiteren, mit dem Axion verwandten Anwärter für dunkle Materie starten können“, sagt Majorovits.

Für das endgültige Experiment wird ein einzigartiger Dipol-Magnet mit etwa zehn Tesla Feldstärke und 1,35 Meter großen Öffnung für den Axionen-Photonen-Wandler benötigt. Dieser Magnet ist momentan in Planung. Die Forschung und Entwicklung für dieses Projekt schreiten gut voran. Sollte das Axion, wie von einigen Theorien vorher­gesagt, eine Masse um hundert Mikro­elektronen­volt haben, könnte die Wissen­schaft in den nächsten zehn Jahren die besonderen Eigen­schaften der starken Wechsel­wirkung klären – und das Problem der dunklen Materie lösen.

MPP / RK

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