Entscheidende Fortschritte bei der Suche nach Axionen

Bislang existiert das Axion nur in theoretischen Modellen. Was das extrem leichte Teilchen so interessant macht: Es könnte zwei Forschungsthemen in der Teilchenphysik entscheidend voranbringen. Eines davon ist die Zusammensetzung der Dunklen Materie. Beim zweiten handelt es sich um ein bestimmtes, aber noch nicht verstandenes Merkmal der Starken Kraft. Diese wirkt wie ein Klebstoff, hält Quarks in Protonen und Neutronen zusammen und sorgt so für stabile Atomkerne.

Die theoretische Teilchenphysik sagt eindeutig voraus, dass kosmische Axionen Schwingungen des elektrischen Feldes auslösen, wenn sie einem Magnetfeld ausgesetzt sind. Diese Eigenschaft ist die Grundlage für das MADMAX-Experiment, das vom Max-Planck-Institut für Physik (MPP) initiiert wurde: Mithilfe eines sehr starken Magneten versuchen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler diese Schwingungen als Mikrowellenstrahlung nachzuweisen. Allerdings macht die Theorie keine genauen Aussagen darüber, bei welcher Frequenz das Mikrowellensignal liegt.

„Man kann sich Axion-Experimente wie ein Radioempfänger vorstellen“, sagt Béla Majorovits, Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Physik und Sprecher des MADMAX-Verbundes. „Das Axion sendet sein Signal bei einer unbekannten Frequenz und wir müssen unser Radio genau auf diese Frequenz einstellen.“

Aktuelle Experimente suchen Axionen im Bereich von mehreren hundert Megahertz, also bei Radiostrahlung. Plausible theoretische Modelle sagen jedoch voraus, dass die von Axionen verursachte Schwingung bei einer deutlich höheren Frequenz liegt. „Mit unserem Experiment werden wir die Bandbreite von zehn bis hundert Gigahertz durchsuchen“, sagt Béla Majorovits. „Da das erwartete Mikrowellensignal sehr klein ist, nutzen wir einen Booster, der die Umwandlung der Vakuumschwingungen in Mikrowellen verstärkt.“

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Mehr als Dunkle Materie

Dieser neuartige Booster besteht aus mehreren Scheiben, die vor einem Metallspiegel positioniert und für Mikrowellen durchlässig sind. An den Oberflächen von Spiegel und Scheiben werden die Vakuumschwingungen in Mikrowellen umgewandelt. Die vielfachen Reflektionen der Wellen zwischen dem Spiegel und den Scheiben erzeugen Resonanzen und verstärken so das Signal. Um verlässliche und reproduzierbare Ergebnisse mit MADMAX zu erhalten, ist es wichtig den Verstärkungseffekt des Boosters genau zu kennen.

Nun ist es dem Forschungsteam erstmals gelungen, diesen ‚Boost-Faktor‘ zu bestimmen. Dazu nutzten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler zwei komplementäre Methoden. „Wenn wir unseren Booster mit Mikrowellen bestrahlen, entstehen ähnliche Resonanzen, als würden sie durch Axionen angeregt. Wenn wir die Stärke dieser Resonanzen messen, können wir den gesuchten Verstärkungsfaktor direkt bestimmen“, erklärt Béla Majorovits. „Die zweite Methode basiert auf dem Reflektionsverhalten des Boosters. Aus diesem können die wesentlichen Parameter ermittelt werden, die zur Berechnung des Verstärkungseffektes nötig sind“.

Dank dieser Vorarbeiten war es bereits jetzt möglich, mit einem Booster-Prototyp nach Dunkle-Materie-Axionen zu suchen. Dazu wurde der Booster ans CERN gebracht. Die Messungen fanden im 1,6 Tesla starken Magnetfeld des MORPURGO-Magneten statt. Das Forschungsteam konnte zwar keine Axionen finden, aber die bisherigen Messungen in zwei Frequenzbändern weit an Genauigkeit übertreffen.

Nach Erreichen dieser wichtigen Meilensteine ist die internationale Forschungsgruppe zuversichtlich, in den nächsten Jahren den Booster und die Nachweismethoden weiter optimieren zu können. Als nächster Schritt sind von 2027 bis 2029 weitere Messungen im MORPURGO-Magnet am CERN geplant, die einen weiterentwickelten Prototyp-Booster nutzen. Das endgültige Experiment soll danach am DESY in Hamburg aufgebaut werden. [MPP / dre]