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CAST – Empfindlichste Suche nach Axionen

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11/2022 - Das CAST Experiment hat jetzt seine jüngsten Ergebnisse zur Suche nach kosmischen Axionen in der Zeitschrift Nature Communications veröffentlicht.

CAST – Empfindlichste Suche nach Axionen

Foto: Copyright CERN

Seit fast 100 Jahren gibt es starke Hinweise darauf, dass der größte Teil der im Universum vorhandenen Materie unsichtbar ist. Nur ungefähr ein Sechstel besteht aus gewöhnlicher Materie, aus der die uns bekannten chemischen Elemente, die Sterne und Planeten und auch wir Menschen bestehen. Der Rest besteht aus einer bisher nicht bekannten Form von „Dunkler Materie“. Was genau die Dunklen Materie ist, zählt heute zu den spannendsten ungelösten Fragen der Physik. Zurzeit läuft weltweit ein Wettrennen um den ersten Nachweis von neuen, bisher nicht entdeckten Elementarteilchen, die diese unbekannte Materieform erklären könnten.

Ein vielversprechender Kandidat für das Dunkle Materie Teilchen ist das Axion. Dieses hypothetische Teilchen besitzt eine sehr geringe Masse, deren genauer Wert allerdings völlig unbekannt ist, und interagiert kaum mit gewöhnlicher Materie. Als Überreste des Urknalls sollten Axionen sehr zahlreich im Universum und damit auch in unserer kosmischen Nachbarschaft vorhanden sein.

Mit dem CERN Axion Solar Telescope (CAST) am CERN wird seit 20 Jahren intensiv nach Axionen gesucht. In den letzten Jahren wurde der Fokus insbesondere auf die Suche nach kosmischen Axionen gelegt, die für die Dunkle Materie verantwortlich sein könnten. In einem starken magnetischen Feld kann die Energie eines Axions in Photonen umgewandelt werden, welche mit empfindlichen Empfängern nachgewiesen werden können. Allerdings ist das erwartete Signal mit etwa 10-21 Watt extrem schwach und von der gleichen Größenordnung wie das unvermeidbare Rauschen des Signalempfängers. Mit der Stärke des Magnetfelds steigt die Wahrscheinlichkeit für diesen Prozess. Setzt man zusätzlich mehrere geschickt zusammengeschaltete Resonanzkammern und sehr empfindliche Verstärker ein, dann sollten Axionen nachweisbar sein, wenn man nur lange genug hinschaut. CAST besteht aus einem extrem starken Magneten, in dessen Inneren eine Temperatur knapp oberhalb des absoluten Temperaturnullpunkts herrscht, und konnte daher seine Stärken voll ausspielen.

Das CAST Experiment hat jetzt seine jüngsten Ergebnisse zur Suche nach kosmischen Axionen in der Zeitschrift Nature Communications veröffentlicht. Von September 2019 bis Juni 2021 wurde fast täglich für 20 Stunden systematisch ein Massenbereich von 19,74 bis 22,47 Mikroelektronenvolt abgesucht, in dem Axionen auftreten könnten. Zwar konnte CAST kein Signal nachweisen, aber bislang hat noch niemals ein Experiment in diesem Bereich so empfindlich nach Axionen gesucht. Damit schränkt das „Nicht-Finden“ Axion Modelle weiter ein. Die Suche muss sich nun auf Axionen in anderen Massenbereichen und mit noch geringeren Interaktionsraten fokussieren.

Aus Deutschland sind die Universitäten in Bonn, Freiburg, Hamburg und Mainz sowie die Max-Planck-Institute für Extraterrestrische Physik bzw. Sonnensystemforschung in Garching und Göttingen an CAST beteiligt. Die Freiburger Arbeitsgruppe um Prof. Horst Fischer hat wichtige Komponenten für das Datenaufnahmesystem bereitgestellt und war federführend an der Durchführung dieses Experiments beteiligt.

(Bild: CAST verwendet eine unerwartete Kombination von Geräten aus der Teilchenphysik und der Astronomie. Das Teleskop besteht aus dem Prototyp eines Dipolmagneten für den Large Hadron Collider, dessen hohle Strahlrohre als Beobachtungsröhren dienen. Die Idee besteht darin, dass das Magnetfeld als Katalysator für die Umwandlung von Axionen Mikrowellenstrahlung wirkt, wodurch diese relativ leicht nachgewiesen werden können. Die Stärke des supraleitenden Dipolmagneten und seine große Länge gewährleisten die Effizienz des Prozesses.)

 

 

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