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Auf der Spur der Axionen
Redaktion
/ idw / Pressemitteilung des Max-Planck-Instituts für Physik
astronews.com
21. November 2016
Axionen sind rein hypothetische Teilchen, deren Nachweis
jedoch grundlegende Probleme der Teilchenphysik lösen helfen könnte, darunter
auch die Frage, um was es sich eigentlich bei der mysteriösen Dunklen Materie
handelt. Im Rahmen eines MADMAX getauften Projekts wollen Münchener Physiker nun den Axionen auf die Spur kommen.
Testaufbau des Experiments mit Sapphirplatten.
Künftig sollen 80 Scheiben aus Lanthanalaluminat
den Nachweis der Axion-Photon-Umwandlung
ermöglichen.
Bild: B. Wankerl/MPP
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Das Max-Planck-Institut für Physik (MPP) erschließt ein neues Forschungsfeld.
Mit einem Workshop in dieser Woche beginnen die Aktivitäten für ein innovatives Axion-Experiment, genannte MADMAX. Axionen sind bislang rein hypothetische
Teilchen. Der Nachweis von Axionen könnte zwei grundlegende Probleme in der
Teilchenphysik lösen: Woraus Dunkle Materie besteht und warum die CP-Verletzung
bei der starken Wechselwirkung bisher nicht direkt beobachtet werden konnte.
Die bislang nur theoretisch vorhergesagten Axionen sind schwer zu fassen: Zum
einen sind sie ungefähr 10 Milliarden Mal leichter als Elektronen. Zum anderen
wechselwirken sie nur extrem schwach mit anderen Materieteilchen und
hinterlassen daher kaum Spuren. In einem sehr starken Magnetfeld könnten Axionen
mit Lichtteilchen (Photonen) reagieren und damit nachweisbar gemacht werden. Auf
dieser Grundannahme basiert das neue Detektorkonzept, das Wissenschaftler am MPP
gemeinsam mit anderen Forschungseinrichtungen entwickeln und testen wollen.
Für die Entstehung von Axionen gibt es zwei wohl motivierte Szenarien: Die
Teilchen könnten sich noch vor der Inflation, der rasanten Ausdehnung des
Universums nach dem Urknall, gebildet haben. Ein zweites Szenario setzt die
"Geburt" der Axionen nach der Inflation an. Das geplante Experiment fokussiert
sich auf Nachweis von Axionen des nach-inflationären Szenarios. Die Masse dieser
Axionen taxieren die Wissenschaftler auf 40 bis 400 Mikroelektronenvolt. Die
Wellenlänge der Photonen liegt für diesen Fall im Mikrowellenbereich des
elektromagnetischen Spektrums, ihre Frequenz bei 10 bis 100 Gigahertz.
Die Umwandlung von Axionen in Photonen ist ein seltener Vorgang; zudem muss sich
die Axion-Photon-Ausbeute zuverlässig von anderen Lichtteilchen im
elektromagnetischen Spektrum unterscheiden lassen. Das Experiment ist dreiteilig
angelegt und besteht aus einem röhrenförmigen, 10 Tesla starken Magneten, in
dessen Feld die Axion-Photonen Reaktion stattfinden soll, einem Modul mit 80
halbtransparenten Scheiben aus Lanthanalaluminat mit einem Durchmesser von bis
zu 1 Meter in dem Photonen erzeugt, "konstruktiv" überlagert und damit leichter
messbar werden, sowie einem Detektor zum Nachweis der Photonen.
In diesem System könnten an den Oberflächen der Scheiben Axionen in Photonen
verwandelt werden. Diese überlagern sich bei richtigem Plattenabstand zu einem
stärkeren Signal; zugleich können die Photonen das System ungehindert in
Richtung Detektor verlassen. Auf diese Weise, so die Hoffnung der Physiker,
könnte sich ein Photon pro Sekunde mit genau definierter Wellenlänge erzeugen
lassen. Um den gesamten Massebereich zwischen 40 und 100 Mikroelektronenvolt zu
vermessen, müsste man dann allerdings mehrere Jahre veranschlagen.
Als eigentliches Nachweisgerät soll ein Instrument zum Einsatz kommen, das
ähnlich aufgebaut ist wie ein Radioteleskop, allerdings um ein Vielfaches
kleiner. Der mit flüssigem Helium auf circa -270 Grad Celsius gekühlte Detektor
empfängt das eintreffende Mikrowellensignal, das verstärkt und dann
aufgezeichnet wird. Für den Bau und die Inbetriebnahme des Magneten wird das MPP
eine Designstudie in Auftrag gegen. Mit ersten Ergebnissen rechnen die
MPP-Wissenschaftler Mitte 2018.
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