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Das MADMAX-Experiment: Suche nach Axionen als Dunkler Materie

Das Axion ist ein bisher rein hypothetisches Teilchen, das gleich zwei zentrale Probleme in der Physik lösen könnte: Woraus Dunkle Materie besteht und warum bei der starken Wechselwirkung offenbar keine CP-Verletzung auftritt. In einem Projekt, das vor kurzem vom Max-Planck-Institut für Physik initiiert wurde, suchen Wissenschaftler nach diesem faszinierenden neuen Teilchen.

Axionen sind anders als alle anderen bisher bekannten Teilchen: Kosmologische Modelle nehmen für das Axion eine Masse zwischen einem Mikroelektronenvolt und einem Millielektronenvolt an. Damit ist es deutlich leichter als das Neutrino – das leichteste aller bekannten Teilchen, die eine Masse haben.

Die Idee von MADMAX (Magnetized Disc and Mirror Axion Experiment) beruht auf der quantenmechanischen Mischung von Teilchen: Darunter versteht man, dass Teilchen manchmal Eigenschaften anderer Teilchen annehmen können. Das gilt auch für das Axion: In einem Magnetfeld verhält sich das Axion ein wenig wie ein Lichtteilchen, Photon genannt – und entwickelt somit auch ein elektrisches Feld. Je stärker das Magnetfeld ist, umso Photon-ähnlicher wird das Axion. Wenn es gelingt, das Axion-erzeugte elektrische Feld nachzuweisen, lässt sich die Existenz des Axions bestätigen.

Nachweis mit nicht-leitendem Material im Magnetfeld

Testaufbau für die Axion-Photon-Umwandlung am Max-Planck-Institut für Physik (Foto: B. Wankerl/MPP)

Um das elektrische Feld zu messen, machen sich die Wissenschaftler einen interessanten Effekt zunutze: Treffen die "gemischten" Axionen in einem nicht elektrisch leitenden Medium (zum Beispiel Luft) auf ein anderes nicht-leitendes Medium (zum Beispiel Kunststoff), wird das elektrische Feld an der Grenzfläche gebrochen. Dabei entsteht elektromagnetische Strahlung (Photonen) in Form von Mikrowellen.

Diese elektromagnetischen Wellen strahlen im rechten Winkel von der Oberfläche ab. Gebündelt lassen sie mit einem geeigneten Detektor messen. Da die Frequenz der Strahlung direkt von der Masse des Axions abhängt, legen kosmologische Betrachtungen einen Wert zwischen 0,25 und 250 Gigahertz nahe.

Das Problem: Selbst wenn man in einem starken Magnetfeld einen scharfen Übergang zwischen verschiedenen Medien herbeiführt,  etwa einem 1 Quadratmeter großen Spiegel und Luft, lassen sich keine Axionen nachweisen. Das Signal läge bei winzigen 10-27 Watt, zu klein selbst für die empfindlichsten Detektoren.

Signalverstärkung an vielen Scheiben

Daher müssen die Wissenschaftler das Signal verstärken. Hier kommt ihnen zugute, dass die Umwandlung von Axionen in Mikrowellen an jedem Übergang zwischen zwei nicht-leitenden, auch dielektrisch genannten Medien stattfindet.

Für das Experiment bedeutet dies: Wenn man viele Medienübergänge schafft, also zum Beispiel Scheiben aus dielektrischen Materialien aneinanderreiht, können die jeweils entstehenden Mikrowellen kombiniert werden. Außerdem erzeugen Reflektionen zwischen den Scheiben Resonanzen, die das Signal zusätzlich verstärken. Dabei kommt es auf die präzise Positionierung der Scheiben an: Dann können die Wissenschaftler die Umwandlung von Axionen und Photonen in einem vorab definierten Frequenzbereich gezielt verstärken und nach Axionen mit einer bestimmten Masse suchen.

Genau das ist der Plan des MADMAX-Experiments: Zusätzlich zu einem Spiegel sollen 80 dielelektrische Scheiben zum Einsatz kommen. Jede dieser Scheiben hat einen Durchmesser von etwa 1 Meter und einen hohen Brechungsindex. Für die Messungen müssen die Scheiben auf einige Tausendstel Millimeter genau platziert werden.

Die Scheiben sollen ein Signal erzeugen, das zehn- oder sogar hunderttausendfach größer ist als an einem Einzel-Spiegel. Das Signal läge dann in einer Größenordnung von etwa 10-23 Watt und wäre mit gängigen Technologien messbar. Dieser "Scheiben-Umwandler" wird in ein 10 Tesla-starkes Magnetfeld eingebracht – zum Vergleich: Ein Kühlschrankmagnet bringt es auf etwa 0,05 Tesla. Als Detektor für die Mikrowellen soll ein Radiometer zum Einsatz kommen.

Vielversprechende Versuche

Versuchsaufbau von MADMAX mit fünf exakt positionierten Sapphirscheiben
Versuchsaufbau von MADMAX mit fünf exakt positionierten Sapphirscheiben (Foto: A. Hambarzumjan/MPP)

In einem ersten Versuchsaufbau mit insgesamt bis zu fünf Saphirscheiben mit jeweils 20 Zentimetern Durchmesser (ohne Magnet) ließ sich bereits ein Resonanzeffekt mit der nötigen Präzision erzeugen. Außerdem konnte mit einer einwöchigen Messung ein Signal von 10-23 Watt nachgewiesen werden kann.

Diese Ergebnisse sind so vielversprechend, dass sich eine Interessengruppe zusammengeschlossen hat, um das Konzept in einem Experiment zu verwirklichen. Derzeit sind Gruppen aus folgenden Forschungseinrichtungen an dem Projekt beteiligt:



  • CEA-IRFU, Saclay, Frankreich
  • DESY Hamburg
  • MPI für Physik, München
  • MPI für Radioastronomie, Bonn
  • RWTH Aachen
  • Universität Hamburg
  • Universtät Tübingen
  • University of Zaragoza, Spanien

Das MPI für Physik übernimmt die Entwicklungsaufgaben zum Radiometer im Frequenzbereich 10 bis 50 Gigahertz sowie zur Konstruktion und Charakterisierung des Scheibensystems.

Mehr Informationen zur Gruppe "MADMAX"

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Gruppenmitglieder

Name Funktion Durchwahl www

Caldwell, Allen, Prof. Dr.

Director 529

Dvali, Georgi, Prof. Dr.

Director 306

Egge, Jacob

Student

Gooch, Christopher

Engineering 242

Hambarzumjan, Armen

Engineering 285/235

Majorovits, Béla, PD Dr.

Scientist 262

Millar, Alexander

PhD Student 466

Pollithy, Anna

PhD Student 583

Raffelt, Georg, Dr.

Scientist 234

wwwth.mpp.mpg.de/members/raffelt/

Reimann, Olaf, Dr.

Engineering 313

Simon, Frank, Dr.

Scientist 535

www.mpp.mpg.de/~fsimon/

Steffen, Frank D., Dr.

Scientist 335

Externe Mitglieder

Javier Redondo, Universität Saragossa (Universidad de Zaragoza)

Schlüsselpublikationen

Dielectric Haloscopes: A New Way to Detect Axion Dark Matter
The MADMAX Working Group: Allen Caldwell, Gia Dvali, Bela Majorovits, Alexander Millar, Georg Raffelt, Javier Redondo, Olaf Reimann, Frank Simon, Frank Steffen
Phys. Rev. Lett. 118, 091801 (2017)
arXiv:1611.05865

Dielectric Haloscopes to Search for Axion Dark Matter: Theoretical Foundations
Alexander J. Millar, Georg G. Raffelt, Javier Redondo, Frank D. Steffen
JCAP, 061 (2017)
arXiv:1612.07057

MADMAX: A new Dark Matter Axion Search using a Dielectric Haloscope
Béla Majorovits, Javier Redondo for the MADMAX Working Group (A. Caldwell, G. Dvali, C. Gooch,  Contributed to the 12th Patras Workshop on Axions, WIMPs and WISPs, Jeju Island, South Korea, June 20 to 26, 2016
arXiv:1611.04549

From Resonant to Broadband Searches for WISPy Cold Dark Matter
Joerg Jaeckel, Javier Redondo
Phys. Rev. D 88, 115002 (2013)  
arXiv:1308.1103