Erweiterte Suche nach Axionen: Neue Ansätze in der Teilchenphysik

LONDON (IT BOLTWISE) – Die Suche nach Axionen, hypothetischen Teilchen, die sowohl die Dunkle Materie als auch ein ungelöstes Problem der Starken Kraft erklären könnten, hat einen bedeutenden Schritt nach vorne gemacht. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Physik haben im Rahmen des MADMAX-Experiments neue Methoden entwickelt, um diese schwer fassbaren Teilchen in einem erweiterten Frequenzbereich aufzuspüren.

Die theoretische Existenz von Axionen ist seit Jahrzehnten ein faszinierendes Thema in der Teilchenphysik. Diese hypothetischen Teilchen könnten nicht nur zur Lösung des Rätsels der Dunklen Materie beitragen, sondern auch ein ungelöstes Problem der Starken Kraft erklären. Letztere ist verantwortlich für den Zusammenhalt von Quarks in Protonen und Neutronen und somit für die Stabilität der Atomkerne. Die theoretische Vorhersage, dass Axionen in einem Magnetfeld Schwingungen des elektrischen Feldes auslösen, bildet die Grundlage für das MADMAX-Experiment.

Das vom Max-Planck-Institut für Physik initiierte MADMAX-Experiment zielt darauf ab, diese Schwingungen als Mikrowellenstrahlung nachzuweisen. Dabei stellt sich die Herausforderung, dass die Theorie keine genauen Angaben zur Frequenz des erwarteten Signals macht. Bisherige Experimente konzentrierten sich auf den Bereich von mehreren hundert Megahertz, doch aktuelle Modelle legen nahe, dass die Frequenz deutlich höher liegt. Das MADMAX-Team plant, den Frequenzbereich von 10 bis 100 Gigahertz zu durchsuchen.

Um das schwache Signal der Axionen zu verstärken, nutzen die Forscherinnen und Forscher einen neuartigen Booster. Dieser besteht aus mehreren durchlässigen Scheiben, die vor einem Metallspiegel positioniert sind. Die Vakuumschwingungen werden an den Oberflächen von Spiegel und Scheiben in Mikrowellen umgewandelt. Durch die vielfachen Reflektionen zwischen Spiegel und Scheiben entstehen Resonanzen, die das Signal verstärken.

Ein entscheidender Fortschritt des Teams war die Bestimmung des sogenannten Boost-Faktors, der die Verstärkung des Signals beschreibt. Hierfür wurden zwei komplementäre Methoden angewandt: Zum einen die Messung der Resonanzen bei Bestrahlung des Boosters mit Mikrowellen, zum anderen die Analyse des Reflexionsverhaltens des Boosters. Diese Vorarbeiten ermöglichten bereits erste Tests mit einem Prototyp am CERN.

Obwohl bisher keine Axionen nachgewiesen werden konnten, übertrafen die Messungen in zwei Frequenzbändern die bisherigen Genauigkeiten deutlich. Die internationale Forschungsgruppe ist zuversichtlich, dass weitere Optimierungen des Boosters und der Nachweismethoden in den kommenden Jahren zu einem Durchbruch führen könnten. Geplant sind weitere Messungen von 2027 bis 2029 am CERN, bevor das endgültige Experiment am DESY in Hamburg aufgebaut wird.

Die Ergebnisse dieser Arbeiten wurden in zwei Artikeln in der Fachzeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht und markieren einen wichtigen Meilenstein in der Suche nach Axionen. Die Fortschritte in diesem Bereich könnten nicht nur unser Verständnis der Dunklen Materie revolutionieren, sondern auch neue Einblicke in die fundamentalen Kräfte des Universums bieten.

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