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Suche nach Axionen in erweitertem Frequenzbereich
Redaktion
/ idw / Pressemitteilung des Max-Planck-Instituts für Physik
astronews.com
1. August 2025
Das Axion hat das Potenzial, zwei der drängendsten Fragen in
der Teilchenphysik zu lösen: Es gilt als vielversprechender Kandidat für die
Dunkle Materie – und es könnte ein Rätsel im Zusammenhang mit der starken
Kernkraft lösen. Im Rahmen des Projekts MADMAX soll das Axion erstmals
nachgewiesen werden. Dabei hofft man auf die Suche in einem neuen
Frequenzbereich.
Der MADMAX-Booster im Inneren des
MORPURGO-Magneten am CERN.
Foto: MADMAX Collaboration [Großansicht] |
Bislang existiert das Axion nur in theoretischen Modellen. Was das extrem
leichte Teilchen so interessant macht: Es könnte zwei Forschungsthemen in der
Teilchenphysik entscheidend voranbringen. Eines davon ist die Zusammensetzung
der Dunklen Materie. Beim zweiten handelt es sich um ein bestimmtes, aber noch
nicht verstandenes Merkmal der Starken Kraft. Diese wirkt wie ein Klebstoff,
hält Quarks in Protonen und Neutronen zusammen und sorgt so für stabile
Atomkerne.
Die theoretische Teilchenphysik sagt eindeutig voraus, dass kosmische Axionen
Schwingungen des elektrischen Feldes auslösen, wenn sie einem Magnetfeld
ausgesetzt sind. Diese Eigenschaft ist die Grundlage für das MADMAX-Experiment,
das vom Max-Planck-Institut für Physik (MPP) initiiert wurde: Mithilfe eines
sehr starken Magneten versuchen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler diese
Schwingungen als Mikrowellenstrahlung nachzuweisen. Allerdings macht die Theorie
keine genauen Aussagen darüber, bei welcher Frequenz das Mikrowellensignal
liegt. "Man kann sich Axion-Experimente wie ein Radioempfänger vorstellen",
erklärt Béla Majorovits, Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Physik und
Sprecher des MADMAX-Verbundes. "Das Axion sendet sein Signal bei einer
unbekannten Frequenz und wir müssen unser Radio genau auf diese Frequenz
einstellen."
Aktuelle Experimente suchen Axionen im Bereich von mehreren hundert
Megahertz, also bei Radiostrahlung. Plausible theoretische Modelle sagen jedoch
voraus, dass die von Axionen verursachte Schwingung bei einer deutlich höheren
Frequenz liegt. "Mit unserem Experiment werden wir die Bandbreite von 10 bis 100
Gigahertz durchsuchen", sagt Majorovits. "Da das erwartete Mikrowellensignal
sehr klein ist, nutzen wir einen so genannten Booster, der die Umwandlung der
Vakuumschwingungen in Mikrowellen verstärkt." Dieser neuartige Booster besteht
aus mehreren Scheiben, die vor einem Metallspiegel positioniert und für
Mikrowellen durchlässig sind. An den Oberflächen von Spiegel und Scheiben werden
die Vakuumschwingungen in Mikrowellen umgewandelt. Die vielfachen Reflektionen
der Wellen zwischen dem Spiegel und den Scheiben erzeugen Resonanzen und
verstärken so das Signal. Um verlässliche und reproduzierbare Ergebnisse mit
MADMAX zu erhalten, ist es wichtig den Verstärkungseffekt des Boosters genau zu
kennen.
Nun ist es dem Forschungsteam erstmals gelungen, diesen "Boost-Faktor" zu
bestimmen. Dazu nutzten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler zwei
komplementäre Methoden. "Wenn wir unseren Booster mit Mikrowellen bestrahlen,
entstehen ähnliche Resonanzen, als würden sie durch Axionen angeregt. Wenn wir
die Stärke dieser Resonanzen messen, können wir den gesuchten Verstärkungsfaktor
direkt bestimmen", erklärt Majorovits. "Die zweite Methode basiert auf dem
Reflexionsverhalten des Boosters. Aus diesem können die wesentlichen Parameter
ermittelt werden, die zur Berechnung des Verstärkungseffektes nötig sind".
Dank dieser Vorarbeiten war es bereits jetzt möglich, mit einem
Booster-Prototyp nach Dunkle-Materie-Axionen zu suchen. Dazu wurde der Booster
ans CERN gebracht. Die Messungen fanden im 1,6 Tesla starken Magnetfeld des
MORPURGO-Magneten statt. Das Forschungsteam konnte zwar keine Axionen finden,
aber die bisherigen Messungen in zwei Frequenzbändern weit an Genauigkeit
übertreffen. Nach Erreichen dieser wichtigen Meilensteine ist die internationale
Forschungsgruppe zuversichtlich, in den nächsten Jahren den Booster und die
Nachweismethoden weiter optimieren zu können. Als nächster Schritt sind von 2027
bis 2029 weitere Messungen im MORPURGO-Magnet am CERN geplant, die einen
weiterentwickelten Prototyp-Booster nutzen. Das endgültige Experiment soll
danach am DESY in Hamburg aufgebaut werden.
Die neuen Entwicklungen und Erkenntnisse sind jetzt in zwei Artikeln in
der Fachzeitschrift Physical Review Letters erschienen.
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