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Axionforschung: CAST-Experiment mit neuem Rekord bei Messgenauigkeit

Neue Teilchen braucht das Universum: Viele Phänomene lassen sich mit den heute bekannten Elementarteilchen nur unzureichend erklären. Eines dieser neuen Teilchen ist das Axion. Von 2003 an fahndete das CAST-Experiment am CERN nach Axionen aus der Sonne, jetzt geht es in Ruhestand. Zwar hat CAST keine Axionen entdeckt, doch mit der letzten Messphase vielversprechende Ergebnisse geliefert. Wie Nature Physics berichtet, hat CAST seine Messgenauigkeit deutlich verbessert – und weist damit den Weg für die nächste Generation empfindlicherer Experimente.

Auf der Suche nach solaren Axionen: Das CAST-Experiment (Foto: Max Brice/CERN)

Nach 14 Jahren ist nun Schluss mit der solaren Axionforschung am CAST-Experiment. Für dieses Forschungsziel sind andere Nachfolgeexperimente im Gespräch, vor allem das International Axion Observatory (IAXO).

Auch wenn CAST keine Axionen aus der Sonne entdeckt hat, gibt es Erkenntnisse, von denen die nächste Detektorgeneration profitieren wird. "Die abschließende Messphase von CAST erwies sich als  besonders fruchtbar", sagt Georg Raffelt, Astroteilchenphysiker am Max-Planck-Institut für Physik (MPP). "Im Vergleich zur ersten Messzeit konnte das CAST-Experiment seine Empfindlichkeit um das Dreifache zu erhöhen."

Konkret bedeutet dies, dass Wissenschaftler den Energiebereich, in dem nach Axionen geforscht wird, genauer eingrenzen können. Denn für die letzte Messkampagne von 2013 bis 2015 kamen Detektoren mit nur geringem Rauschen sowie ein neues Röntgenteleskop zum Einsatz – Technologien, die jetzt den Standard für Folgeexperimente setzen.

Schwer, aber nicht unmöglich zu fassen

Axionen sind schwer zu fassende Teilchen, auch deswegen, weil man ihre Masse nicht kennt. "Gegenwärtige Theorien verorten das Axion in einem Energiebereich zwischen 40 bis 400 Mikroelektronenvolt – damit ist es etwa 10 Milliarden mal leichter als das Elektron", erklärt Raffelt. Theoretischen Modellen zufolge sollten Axionen überall im Weltall auftreten, die Sonne ist nur eine mögliche und sehr starke Axionquelle.  

Doch wie lassen sich Axionen nachweisen? "Dafür sorgt eine besondere Eigenschaft der Axionen", erklärt Raffelt. "In einem starken Magnetfeldes wandeln sich Axionen in elektromagnetische Wellen, also Licht um – und umgekehrt." Die Lichtteilchen lassen sich mit entsprechenden Nachweisgeräten auffangen und sichtbar machen. Die solaren Axionen hätten entsprechend der hohen Temperatur im Sonneninneren eine Energie im Röntgenbereich.  

Axionen aus der Galaxie: Kandidaten für Dunkle Materie

Die Axionforschung erlebt derzeit einen enormen Schub: Neben den Sonnen-Axionen suchen Wissenschaftler auch nach solchen, die aus den Tiefen unserer Galaxie zu uns gelangen. Wegen ihrer Herkunft kommen diese Axionen als Kandidaten für Dunkle Materie infrage.

Auch Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler am MPI für Physik haben eine Initiative zur Axionforschung gestartet. Zusammen mit anderen Forschungseinrichtungen arbeiten sie an einer Axionfalle namens MADMAX. Wie CAST nutzt auch MADMAX ein starkes Magnetfeld, in dem sich Axionen in Lichtteilchen (Photonen) umwandeln.

"Die galaktischen Axionen haben eine niedrigere Energie als ihre Verwandten aus der Sonne", erläutert Raffelt. "Entsprechend niedriger ist auch die Energie der umgewandelten Photonen: Sie liegt im Mikrowellenbereich."

Als "Axion-Radio" wird MADMAX daher den Frequenzbereich von 10 bis 100 Gigahertz durchmustern. Dabei ist dieses Projekt nur eines von mehreren, die derzeit in den Startlöchern stehen. Alle verbindet die Hoffnung, diese flüchtigen Teilchen eines Tages zu finden. Auch der an solaren Axionen erprobte CAST-Magnet wird mit neuen Instrumenten nachgerüstet – diese sollen künftig ebenfalls galaktische Axionen ins Visier nehmen.

Publikation:

"New CAST Limit on the Axion-Photon Interaction", The CAST Collaboration, Nature Physics (Advance Online Publication), DOI: 10.1038/nphys4109

Kontakt:

Dr. Georg Raffelt
Max-Planck-Institut für Physik
Tel.: +49 89 32354-234