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MADMAX: Ein neues Experiment zur Erforschung der Dunklen Materie

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 gänzlich neuen Experiment sollen Axionen als Kandidaten für Dunkle Materie aufgespürt werden. Dazu hat sich nun die MADMAX (MAgnetized Disc and Mirror Axion eXperiment)-Kollaboration gegründet.

Vertragsunterzeichnung am DESY in Hamburg, dem Standort des künftigen Experiments: Dr. Béla Majorovits, Sprecher der MADMAX-Kollaboration, Prof. Dr. Erika Garutti (Universität Hamburg) und Prof. Dr. Allen Caldwell, Direktor am Max-Planck-Institut für Physik (von links). (Foto: M. Grefe/Universität Hamburg)

In den letzten Jahren ist die Empfindlichkeit von Experimenten, die nach Wechselwirkungen von Dunkler Materie mit normaler, uns bekannter Materie suchen, dramatisch angestiegen. Auch die CERN-Experimente zur Suche nach derartigen Teilchen sind wesentlich empfindlicher geworden.

Dennoch wurde bisher kein Dunkle-Materie-Teilchen 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 sogenannten starken Wechselwirkung, auch Quantenchromodynamik (QCD) genannt. Diese Hypothese sagt die Existenz von sogenannten 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 40 und 400 Mikroelektronenvolt zu entdecken. Dabei wird genau dieser Massebereich in theoretischen Modellen vorhergesagt, denen zufolge Axionen nach der inflationären Ausdehnungsphase im frühen Universum produziert wurden.

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 80 Scheiben mit einem Durchmesser von einem Meter aus einem Material mit hohem Brechungsindex in einem Magnetfeld mit etwa 10 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 aus mehreren Forschungsinstituten zusammengeschlossen: Am 18. Oktober 2017 hat sich offiziell die MADMAX-Kollaboration gebildet. Gründungsmitglieder sind neben der Gruppe am Münchener Max-Planck-Institut für Physik, an dem das grundlegende Konzept ausgearbeitet wurde, Forschungsgruppen der Universitäten in Aachen, Hamburg und Tübingen, der Universität 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 neugegründeten MADMAX-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 soll es dann möglich sein, einen wesentlichen Parameterbereich für QCD-Axionen abzudecken, der zu erwarten ist, falls Axionen tatsächlich die Erklärung für sie Dunkle Materie im Universum sind.

MADMAX soll bei DESY in Hamburg aufgebaut werden.