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Den geheimnisvollen Axionen auf der Spur
Redaktion
/ idw / Pressemitteilung der European XFEL GmbH
astronews.com
21. Februar 2025
Axionen sind hypothetische Elementarteilchen, die auch als
Kandidaten für die Dunkle Materie gehandelt werden. Bislang ließen sie sich
allerdings noch nicht nachweisen. Am European XFEL, dem größten und
leistungsstärksten Röntgenlaser der Welt, hat man nun ein neues Experiment für
die Suche nach den geheimnisvollen Teilchen entwickelt.
An der HED/HiBEF-Experimentierstation von
European XFEL suchen Forschende nach den
hypothetischen Axionen, die auf eine Physik über
das bekannte Standardmodell der Teilchenphysik
hinaus hindeuten würden.
Foto: European XFEL / Axel Heimken [Großansicht] |
Forschende des European XFEL haben gemeinsam mit Kolleginnen und Kollegen des
britischen Science and Technology Facilities Council (STFC), der
Universität Oxford und anderen Forschungseinrichtungen nach einem hypothetischen
Teilchen gesucht, das möglicherweise die Dunkle Materie des Universums erklären
könnte. Zusammen mit dem HIBEF-Nutzerkonsortium, die Abkürzung steht für
"Helmholtz International Beamline for Extreme Fields", suchten die Forschenden
an der High-Energy-Density-Experimentierstation HED nach sogenannten Axionen.
Axionen sind winzige, hypothetische Teilchen. Sie sollen beispielsweise
erklären, warum Neutronen, aus denen Atomkerne neben Protonen bestehen, kein
elektrisches Dipolmoment besitzen, obwohl die Kernbausteine aus noch kleineren
geladenen Teilchen, den sogenannten Quarks, bestehen. Sollten sie tatsächlich
nachgewiesen werden, wäre dies zudem ein Hinweis für eine neue Physik jenseits
des Standardmodells. Darüber hinaus sind Axionen ein Kandidat für die Dunkle
Materie, die geheimnisvolle Substanz, die den größten Teil der Masse des
Universums ausmacht.
Für ihre Experimente nutzten die Forschenden den größten und
leistungsstärksten Röntgenlaser der Welt: den European XFEL in Schenefeld bei
Hamburg. Den intensiven Röntgenstrahl leiteten sie durch dünne Plättchen aus
Germaniumkristallen. Die weisen im Inneren ein starkes elektrisches Feld auf.
Für sich bewegende Teilchen erscheint das wie ein extrem starkes Magnetfeld von
rund 1000 Tesla. Das ermöglicht es den Photonen, sich in Axionen umzuwandeln und
wieder zurück. Eine zwischen den Kristallen eingefügte Titanfolie wirkt dabei
als Barriere für die Photonen und ließe nur die gesuchten Axionen durch. Diese
werden dann aufgespürt, wenn sie sich im Kristall auf der anderen Seite wieder
in Photonen umwandeln.
In ihrer Machbarkeitsstudie haben die Forschenden gezeigt, dass ihr Aufbau in
der Empfindlichkeit für Axionen mit Experimenten mit Teilchenbeschleunigern
konkurrieren kann. Sie ebnen damit den Weg für Experimente, bei denen sich
Axionen im Massenbereich von Milli- bis Kiloelektronenvolt messen ließen. Ziel
der Forschenden ist es, die Empfindlichkeit noch um einen Faktor von mehreren
Hundert zu verbessern, um Axionen nachweisen zu können, die von der Theorie der
Quantenchromodynamik vorhergesagt werden.
European XFEL ist eine internationale Forschungsanlage der Superlative in der
Metropolregion Hamburg: 27.000 Röntgenlaserblitze pro Sekunde und eine
Leuchtstärke, die milliardenfach höher ist als die besten
Röntgenstrahlungsquellen herkömmlicher Art, eröffnen neue
Forschungsmöglichkeiten. Forschergruppen aus aller Welt können an dem
europäischen Röntgenlaser atomare Details von Viren und Zellen entschlüsseln,
dreidimensionale Aufnahmen im Nanokosmos machen, chemische Reaktionen filmen und
Vorgänge wie die im Inneren von Planeten untersuchen.
Die gemeinnützige Forschungsorganisation arbeitet eng mit dem
Forschungszentrum DESY und weiteren internationalen Institutionen zusammen. Sie
beschäftigt mehr als 550 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter. Derzeit beteiligen
sich zwölf Länder: Dänemark, Deutschland, Frankreich, Italien, Polen, Russland,
Schweden, die Schweiz, die Slowakei, Spanien, Ungarn und das Vereinigte
Königreich. Deutschland trägt mit 58 Prozent den Löwenteil der Kosten für die
Einrichtung, Russland 27 Prozent. Die anderen Partnerländer sind mit ein bis
drei Prozent beteiligt.
Die Ergebnisse der Studie wurden in der Fachzeitschrift Physical Review Letters
veröffentlicht.
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