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Suche nach Axionen: MADMAX-Testaufbau kommt ans CERN

Ob Axionen existieren ist 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, eine der vier Kräfte im Universum, ein besonderes Merkmal aufweist. In dem 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.

Testaufbau des MADMAX-Experiments: Der Photonenanteil der Axionen erzeugt beim Übergang von Luft zum Material der Scheiben Radiowellen, die sich messen lassen. (Foto: MADMAX Collaboration)

Testaufbau des MADMAX-Experiments: Der Photonenanteil der Axionen erzeugt beim Übergang von Luft zum Material der Scheiben Radiowellen, die sich messen lassen. (Foto: MADMAX Collaboration)

Axionen wurden ursprünglich eingeführt, um die Sonderrolle der starken Wechselwirkung bezüglich der Zeitumkehr- (CP-) Symmetrie zu erklären. Sie lassen sich nur schwerlich mit anderen Teilchenarten vergleichen. Die Masse eines Axion-Teilchens wird irgendwo zwischen 1 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. Daher kann man sie sich anschaulich als Wellenphänomen des zugrundliegenden Feldes vorstellen – so wie die Wellenbewegungen auf einer Wasseroberfläche.  

Axion, aber auch ein wenig Lichtteilchen

Um Axionen nachzuweisen, machen sich die beteiligten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler eine Eigenheit der Quantenmechanik zunutze: Gewisse Teilchen mit gleichen Quantenzahlen können sich ineinander verwandeln. Man sagt auch, dass diese Teilchen untereinander mischen. So kann das Axion auch als eine Mischung aus Axion und einem sehr geringen Antail von zwei Lichtteilchen (Photonen) beschrieben werden.

„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 Max-Planck-Institut für Physik und Sprecher von MADMAX.

Mit vielen Scheiben zum Nachweis des Axions

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 20 Scheiben aus Saphir oder Lanthanaluminat mit einem Durchmesser von 30 Zentimeter. Als Testmagnet stellt das CERN der Kollaboration nun einen 1,6 Tesla starken Dipol-Magnet mit hinreichend großer Öffnung zur Verfügung: Der Morpurgo-Magnet gehört zur Ausrüstung des H8-Teststrahls am SPS-Ring. Letzterer dient auch als Vorbeschleuniger des Large Hadron Collider (LHC).

Suche nach einem weiteren Teilchen

„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 so genannten ‚axion-like particle‘, 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 10 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 100 Mikroelektronenvolt haben, könnte die Wissenschaft in den nächsten zehn Jahren die besonderen Eigenschaften der starken Wechselwirkung klären – und das Problem der Dunklen Materie lösen.