Fahndung nach dem Axion beginnt

„Radio“ für Dunkle Materie: Ein neuer Detektor in den USA könnte schon innerhalb der nächsten Jahre die Teilchen der Dunklen Materie aufspüren – wenn es sich dabei um Axionen handelt. Diese extrem leichten Partikel gelten als ein möglicher Kandidat für die Teilchen der Dunklen Materie. Das jetzt in Betrieb gehende ADMX-Experiment ist der erste Detektor, der diese Teilchen nachweisen könnte. Findet er nichts, müssen die Physiker neue Hypothesen entwickeln.

Es ist wie verhext: Obwohl die Dunkle Materie einen Großteil der Masse in unserem Universum ausmacht, ist noch immer unbekannt, aus welchen Teilchen sie besteht. Denn diese sind unsichtbar und interagieren gängiger Annahme nach nur über ihre Schwerkraft mit normaler Materie. Entsprechend schwer ist es, diese exotischen Partikel aufzuspüren. Ein weiteres Problem: Physiker sind sich noch nicht einmal darin einig, in welchem Massebereich sie nach den Teilchen suchen sollen.

Das Problem: Lange galten die sogenannten „Weakly Interacting Massive Particles“ (WIMP) als die vielversprechendsten Kandidaten für Dunkle Materie-Teilchen. Sie sollen rund tausendfach schwerer sein als ein Proton. Doch bisher haben selbst sensibelste Detektoren keine Spur solcher WIMPs finden können. Einige Physiker befürworten deshalb inzwischen eine Variante, sogenannte „Strongly Interacting Massive Particles (SIMP).

Ein Detektor für Axionen

Doch der inzwischen von vielen Forschern favorisierte Kandidat sind die Axione – Teilchen, die Milliarden Mal leichter sind als ein Elektron, dafür aber umso zahlreicher. Um sie nachzuweisen, haben US-Forscher in den letzten Jahren eigens einen Detektor entwickelt und gebaut, das Axion Dark Matter Experiment (ADMX).

Prinzip des ADMX-Experiments: Wenn die Frequenz der Detektor-Kavität passt, wandeln sich besonders viele Axionen in Photonen um - und diese lassen sich nachweisen. © C. Boutan/PNNL, APS/Alan Stonebraker

Jetzt ist der ADMX-Detektor soweit: Erste Messungen belegen, dass er sensibel genug ist, um die Axionen – sollten sie existieren – schon in den nächsten Jahren aufzuspüren. „Eine Entdeckung könnte in den nächsten Jahren jederzeit stattfinden“, sagt Aaron Chou vom Fermi National Accelerator Laboratory, einem am Detektor beteiligten Institut. „Die aufregendste Zeit auf der Suche nach den Axionen beginnt jetzt.“

Wie ein Radioempfänger

Der Detektor fahndet auf ungewöhnliche Weise nach den Axionen: Weil sie so leicht sind, kommen Teilchenkollisionen wie bei anderen Detektoren hier nicht in Betracht. Deshalb funktioniert ADMX eher wie ein extrem sensibles Radiogerät. Er lauscht auf Photonen, die aus der Umwandlung von Axionen in einem starken Magnetfeld entstehen. Denn der Theorie nach sollten auch die Axionen dank ihrer Wellennatur in bestimmten Frequenzen schwingen.

„Im Prinzip ist ADMX wie ein Kurzwellenradio“, erklärt ADMX-Sprecher Gray Rybka von der University of Washington. „Nur dass wir die Frequenz der gesuchten Radiostation nicht kennen. Wir drehen deshalb den Frequenzknopf langsam, während wir lauschen. Ist die Frequenz dann korrekt, hören wir idealerweise einen Ton.“ Den Berechnungen nach sollten Axionen in Frequenzen schwingen, die zwischen mehreren Kilohertz bis einigen Gigahertz liegen.

Störrauschen beseitigt

Bisher allerdings hatte der Detektor ein Problem: Obwohl das gesamte System schon auf nur 0,1 Kelvin heruntergekühlt war, entstand so viel Störrauschen, dass ein Axion-Signal darin untergegangen wäre. Jetzt jedoch haben die Forscher die alten Transistor-basierten Verstärker gegen spezielle supraleitende Quanteninterferenz-Verstärker (SQUID) ausgetauscht und so das Störtauschen entscheidend vermindert.

„Mit der ursprünglichen Version des Experiments hätten wir hunderte von Jahren gebraucht, um den wahrscheinlichsten Bereich der Axionmassen abzutasten““, erklärt Gianpaolo Carosi vom Lawrence Livermore National Laboratory. „Mit den supraleitenden Detektoren können wir den gleichen Bereich in nur wenigen Jahren scannen.“ Erste Messungen belegen, dass ADMX nun sensibel genug ist, um Axionen nachzuweisen – wenn sie existieren.

„Startschuss für die Jagd“

„Dieses Ergebnis ist der Startschuss für die Jagd nach den Axionen“, sagt ADMX-Operations-Manager Andrew Sonnenschein vom Fermilab. „Wenn die Axionen in dem Frequenzband liegen, das wir in den nächsten Jahren absuchen, dann ist es nur eine Frage der Zeit, bis wir sie finden.“ Das ADMX ist damit der erste und bisher einzige Detektor, der diese Teilchen der Dunklen Materie finden könnte.

Allerdings: Sollte der ADMX nichts finden, dann bedeutet dies, dass es die Axionen zumindest in der heute postulierten Form nicht gibt. Dann müssen Physiker nach neuen Kandidaten für die Teilchen der Dunklen Materie suchen. (Physical Review Letters, 2018; doi: 10.1103/PhysRevLett.120.151301)

(University of California Berkeley, Fermi National Accelerator Laboratory, 11.04.2018 – NPO)