Auf der Jagd nach Dunklen Bosonen: Neuartiger Detektor soll dunkle Materie finden

Sogenannte Axionen sind die vielversprechendsten Kandidaten für die Teilchen der dunklen Materie. Es handelt sich dabei um Teilchen mit geringer Masse, geringer Wechselwirkung mit anderen Teilchen und keinem Spin. Mittels eines neuartigen „Licht-durch-Wand“-Experiments am Deutschen Elektronenynchrotron (DESY) in Hamburg sollen diese Teilchen nun nachgewiesen werden. Dafür werden Axionen mittels starker Magnetfelder dazu animiert, sich in Photonen und wieder zurück zu verwandeln. Einige dieser Photonen müssten dabei jenseits einer lichtundurchlässigen Wand auftauchen. Der dabei verwendete ALPS-Detektor ist das weltweit empfindlichste derartige Instrument.

Auf der Jagd nach Axionen

Axionen gehören wie auch das Higgs-Boson oder Photonen zu den Bosonen – also den Trägerteilchen der Grundkräfte. Es gab bereits erste Indizien für die Existenz solcher Dunklen Bosonen, aber der Nachweis steht bisher noch aus. Ein neuartiger Detektor soll dies ändernd. Das Experiment ALPS II (Any Light Particle Search) ist etwa 250 Meter lang und wurde von einer internationalen Forschungskollaboration am DESY in Hamburg aufgebaut. ALPS II verwendet ein ähnliches Messprinzip wie die Haloskope. Dabei handelt es sich um Detektoren, die dazu bestimmt sind, Axionen auf Basis ihrer Wechselwirkung mit elektromagnetischen Feldern aufzuspüren.

Diese Art des Nachweises basiert auf der theoretischen Fähigkeit der Axionen, unter Einfluss starker Magnetfelder ein Umwandlung zu Photonen zu durchlaufen. Diese Umwandlung läuft auch anders herum, also von Photonen zu Axionen. In der Theorie bedeutet das, dass Photonen über die Umwandlung in Axionen auch lichtundurchlässige Wände durchqueren müssten. Dies soll durch das Experiment ALPS II nachgewiesen werden.

Lichtdurchlässige Wand als Nachweishilfe

ALPS II besteht aus zwei 120 Meter langen Vakuumrohren, die von je zwölf hintereinander liegenden Supraleiter-Magneten umschlossen werden, die jeweils neun Meter lang sind und ein Magnetfeld von 5,3 Tesla erzeugen, was mehr als 1000.000-Fache des Magnetfelds der Erde entspricht. Die dazu benötigten Bauteile kommen aus dem Protonenring des HERA-Beschleunigers und wurden für das ALPS-Projekt geradegebogen und wiederverwertet.

In dem ersten dieser Vakuumrohre wird durch Laser ein intensives Licht erzeugt, dessen Photonen durch spezielle Spiegel reflektiert werden. Wenn ich in der ersten Röhre ein Photon in ein Axion verwandelt, kann es die Barriere am Ende des Rohrs passieren und taucht dann in der zweiten Röhre auf, die ebenfalls solch ein optischer Resonator ist. Verwandelt sich das Axion dort unter dem Einfluss des Magnetfelds zurück in ein Lichtteilchen, dann sollte dies durch einen Photodetektor nachgewiesen werden können.

Wahrscheinlichkeit dennoch gering

Durch die Kombination eines Magnetfelds mit einem Resonator wird die Wahrscheinlichkeit für die Rückumwandlung des Axion in ein Photon etwa um den Faktor Zehntausend erhöht. Zudem ist der Lichtdetektor so empfindlich, dass er auch ein einzelnes Lichtteilchen nachweisen kann. Hinzu kommt eine erstaunliche Präsentation des Spiegelsystems ist rekordverdächtig.

Das ALPS-II-Experiment ist damit der bisher sensibelste Axionen-Detektor solch einer Bauart. „Das Ergebnis ist ein Experiment mit einem einzigartigen Entdeckungspotenzial für Axionen„, so Andreas Ringwald vom DESY. Besonders erfogsversprechend sei das Experiment dennoch nicht: „Die Wahrscheinlichkeit, dass sich ein Photon in ein Axion und wieder zurückverwandelt, ist trotz all unserer Techniktricks sehr klein – vergleichbar damit, dass man gleichzeitig mit 33 Würfel einen Pasch wirft„, erklärt Projektleiter Axel Lindner.

Weitere Verbesserungen geplant

Für den Anfang läuft die Suche nach Axionen mit ALPS II in einem reduzierten Betriebsmodus. In diesem wird die Suche nach Störlicht vereinfacht. Die volle Sensitivität soll das Experiment dann in der zweiten Jahreshälfte erreichen. 2024 wird dann das Spiegelsystems verbessert. Später soll dann ein alternatives Lichtdetektorsystem installiert werden. Erste Ergebnisse werden im Verlauf des Jahres 2024 erwartet.

„Selbst wenn wir mit ALPS keine leichten Teilchen finden sollten, werden wir mit dem Experiment die Ausschlussgrenzen für superleichte Teilchen um den Faktor 1.000 verschieben„, so Lindner weiter.

via DESY