Mit MADMAX auf der Suche nach Axionen

Die Natur der dunklen Materie im Universum gehört zu den bren­nend­sten Fragen der modernen Physik. Obwohl die Existenz der dunklen Materie durch astro­physika­lische und kosmo­logische Beob­ach­tungen ihrer Schwer­kraft­wirkung unum­gäng­lich scheint, fehlt bis heute ein Nach­weis durch Labor­experi­mente. Mit einem neuen Experi­ment sollen Axionen als Kandi­daten für dunkle Materie auf­ge­spürt werden. Dazu hat sich nun in Hamburg die MADMAX-Kollabo­ration gegründet. Die Ab­kürzung steht für „Magne­tized Disc and Mirror Axion Experi­ment“.

In den vergangenen Jahren ist die Empfindlichkeit von Experi­menten, die nach Wechsel­wirkungen von dunkler Materie mit normaler Materie suchen, drama­tisch ange­stiegen. Auch die CERN-Experi­mente zur Suche nach der­artigen Teil­chen sind wesent­lich empfind­licher geworden. Dennoch wurden bisher keine Teilchen der dunklen Materie experi­mentell nach­ge­wiesen. Diese Tat­sache führt zum Wieder­auf­leben einer lange etab­lierten Hypo­these, die ganz unab­hängig vom Problem der dunklen Materie ein­ge­führt wurde, um ein weiteres grund­legendes Problem der Teilchen­physik zu lösen: die Frage nach der uner­klärten Sym­metrie zwischen Materie und Anti­materie in der starken Wechsel­wirkung. Die Hypo­these sagt die Existenz von Axionen voraus, die gleich­zeitig auch das Rätsel der dunklen Materie lösen könnten.

Weltweit gibt es inzwischen mehrere Experimente und Initia­tiven, die nach Axionen als Kandi­daten für die dunkle Materie suchen. Keines dieser Experi­mente besitzt jedoch die nötige Empfind­lich­keit, um Axionen im Massen­bereich zwischen vierzig und vier­hundert Mikro­elek­tronen­volt zu ent­decken. Dabei wird genau dieser Masse­bereich in theore­tischen Modellen vorher­gesagt, denen zufolge Axionen nach der infla­tio­nären Aus­dehnungs­phase im frühen Uni­versum produ­ziert wurden.

Im Jahr 2013 wurde eine neue Idee publiziert, mit der es möglich sein könnte, in diesem theore­tisch sehr gut moti­vierten Massen­bereich empfind­lich genug zu werden, um Axionen als Kandi­daten für die dunkle Materie nach­zu­weisen. Dafür sollen in einem neuen Experi­ment bis zu achtzig Scheiben mit einem Durch­messer von einem Meter aus einem Material mit hohem Brechungs­index in einem Magnet­feld mit etwa zehn Tesla Feld­stärke ange­ordnet werden. Bei der rich­tigen Ein­stel­lung der Scheiben­abstände könnte dies dazu führen, Axionen an den Scheiben­ober­flächen reso­nant in Mikro­wellen-Photonen umzu­wandeln. Diese ließen sich dann mit extrem empfind­lichen Detek­toren beob­achten.

Um ein solches Experiment in die Realität umzusetzen, haben sich nun Wissen­schaftler mehrerer Forschungs­institute zusammen­geschlossen: Am 18. Oktober hat sich offi­ziell die MADMAX-Kollabo­ration gebildet. Gründungs­mit­glieder sind neben der Gruppe am Max-Planck-Institut für Physik, an dem das grund­legende Konzept aus­ge­arbeitet wurde, Forschungs­gruppen der Unis in Aachen, Hamburg und Tübingen, der Uni Zara­goza in Spanien, des franzö­sischen Forschungs­instituts für funda­mentale Gesetze des Uni­versums CEA-IRFU in Saclay und des Deutschen Elek­tronen-Synchro­trons DESY in Hamburg.

Die Forscher der Kollaboration planen zunächst eine Findungs­phase: Es muss über­prüft werden, ob das Konzept reali­sier­bar ist. Hierzu sollen die theo­re­tisch-phäno­meno­lo­gischen Über­legungen, die zum Konzept des experi­men­tellen Auf­baus geführt haben, nochmals kritisch hinter­fragt werden. Parallel dazu werden erste Design­studien zur Reali­sier­bar­keit eines passen­den Magneten und der benötigten Mechanik durch­ge­führt.

Fallen diese zufriedenstellend aus, soll zunächst bis 2021 ein kleinerer Proto­typ des Experi­ments gebaut werden. Schon mit diesem könnte eine Empfind­lich­keit erreicht werden, die es erlaubt, nach bisher nicht über­prüf­baren exo­tischen Teilchen­kandi­daten für dunkle Materie zu suchen. Mit dem vollen Aufbau des MADMAX-Experi­ments, der am DESY in Hamburg erfolgen soll, sollte es dann möglich sein, einen wesent­lichen Para­meter­bereich für Axionen abzu­decken, der zu erwarten ist, falls Axionen tat­säch­lich die Erklä­rung für sie dunkle Materie im Uni­versum sind.

MPP / RK