RADES-Detektor im BabyIAXO-Experiment: Nachweis von kosmischen Axionen

Die Natur der Dunklen Materie ist eine der drängendsten Fragen in der modernen Teilchenphysik. Das Axion-Teilchen ist ein exzellenter Kandidat für Dunkle Materie. Bisher existieren Axionen allerdings lediglich „auf dem Papier“, werden also nur in theoretischen Modellen vorhergesagt.

Besonders attraktiv an dieser neuartigen Teilchenart ist die Tatsache, dass man mit ihnen zwei Fliegen mit einer Klappe schlagen könnte. Neben dem Dunkle-Materie-Problem versuchen Physiker*innen, ein davon völlig losgelöstes Thema zu klären: Warum bei der starken Wechselwirkung keine CP- (Charge/Parity: Ladung/Gleichheit) Verletzung auftritt. Diese Kraft verhält sich damit anders als die schwache Wechselwirkung, bei der dieses Phänomen auftritt.

Das RADES-Detektor sucht nach kosmischen Axionen, die aus dem Dunkle-Materie-Halo stammen, der unsere Galaxie wie eine Kugel umgibt. Man spricht daher auch von einem Haloskop. Das Prinzip: In einem starken Magnetfeld nehmen Axionen Eigenschaften von Lichtteilchen (Photonen) an, die sich in einem speziellen Versuchsaufbau als Mikrowellen manifestieren können. Dieses Signal wäre allerdings sehr schwach. Das RADES-Haloskop besteht aus einem Verbund kleiner Resonatoren, mit denen die Mikrowellen verstärken lassen. Damit könnte die Existenz von Axionen nachgewiesen werden.

Bisher war RADES ein Detektor im CAST-Experiment am CERN, dessen Nachfolger IAXO derzeit geplant wird. CAST und IAXO sind darauf spezialisiert, Axionen zu entdecken, die aus der Sonne stammen. Diese kommen jedoch nur in speziellen Fällen für Dunkle Materie in Frage. Mit der RADES-Komponente ist zusätzlich die Entdeckung von kosmischen Axionen möglich. Damit ergibt sich eine auch eine Chance, das Dunkle-Materie-Rätsel zu lösen. 

Derzeit ist am DESY in Hamburg ein Prototyp von IAXO in Planung, in dem der Magnet und alle Komponenten in kleinem Maßstab vorbereitet und getestet werden – das Projekt wurde entsprechend BabyIAXO getauft. BabyIAXO besteht aus einem 10-Meter langen, ringförmigen Magneten mit einer Feldstärke von 2 Tesla, durch den zwei Rohre mit jeweils 60-Zentimeter Durchmesser führen. Das RADES-Haloskop soll im Hohlraum des Magneten installiert werden.

Die Aufgabe unserer Gruppe in den kommenden Jahren ist es, den Aufbau von RADES auf BabyIAXO zuzuschneiden und zu testen. Konkret arbeiten wir an der Beschreibung möglicher Beobachtungen und der Entwicklung von Analysemethoden sowie an Design und Tests der Axion-Haloskope für BabyIAXO.

RADES besteht aus 20 Forschenden an acht Forschungseinrichtungen, das babyIAXO Experiment aus 120 Forschenden an über 100 verschiedenen Institutionen.

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Aktuelle Meldungen

02.11.2022

Das Max-Planck-Institut für Physik (MPP) begrüßt Babette Döbrich, die seit dem 1. November am Institut forscht. Sie hat sich im anspruchsvollen Bewerbungsverfahren des Lise-Meitner-Exzellenzprogramms durchgesetzt und leitet ab sofort eine experimentelle Arbeitsgruppe am MPP, die sich mit der Suche…

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Gruppenmitglieder

E-Mail-Adresse: E-Mail@mpp.mpg.de
Telefonnummer: +49 89 32354-Durchwahl
Name Funktion E-Mail Durchwahl Büro
Cogollos, Cristian Postdoc cogollos 583 029C
Döbrich, Babette, Dr. Senior Scientist dobrich 205 020C

Schlüsselpublikationen

Axion Searches with Microwave Filters: the RADES project
Alejandro Álvarez Melcón, Sergio Arguedas Cuendis, Cristian Cogollos, Alejandro Díaz-Morcillo, Babette Döbrich
JCAP 05 (2018) 040
DOI: 10.1088/1475-7516/2018/05/040

First results of the CAST-RADES haloscope search for axions at 34.67 μμeV
CAST Collaboration (A. Álvarez Melcón)
JHEP 21 (2020) 075
DOI: 10.1007/JHEP10(2021)075

Thin Film (High Temperature) Superconducting Radiofrequency Cavities for the Search of Axion Dark Matter
J. Golm, S. Arguedas Cuendis, S. Calatroni, C. Cogollos, B. Döbrich
IEEE Trans.Appl.Supercond. 32 (2022) 4, 1500605
DOI: 10.1109/TASC.2022.3147741

Scalable haloscopes for axion dark matter detection in the 30μμeV range with RADES
A. Álvarez Melcón, S. Arguedas Cuendis, C. Cogollos, A. Díaz-Morcillo, B. Döbrich(
JHEP 07 (2020) 084
DOI: 10.1007/JHEP07(2020)084