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MADMAX soll nach Axionen suchen
Redaktion
/ Pressemitteilung des Max-Planck-Instituts für Physik
astronews.com
23. Oktober 2017
Was ist die Dunkle Materie? Diese Frage beschäftigt
Astronomen, Kosmologen und Teilchenphysiker gleichermaßen. Nachdem man am CERN
in Genf noch keine Partikel der Dunklen Materie nachweisen konnte, wollen
Physiker nun wieder intensiver nach der Existenz von sogenannten Axionen
fahnden. Auch diese kommen nämlich als Kandidaten für Dunkle Materie infrage.
Die Mitglieder des
MADMAX-Forschungsverbundes bei der Besichtigung
des alten HERA-Tunnels in der Nähe zukünftigen
Standorts des MADMAX-Experiments am DESY.
Bild: M. Grefe/Universität Hamburg [Großansicht] |
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.
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 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.
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