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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