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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. Mit MADMAX, einer internationalen, vom Max-Planck-Institut für Physik geführten Forschungskollaboration, soll das Axion gefunden werden. In der aktuellen Projektphase testet und evaluiert das Forschungsteam verschiedene Ansätze zum Nachweis des Teilchens. Die neuen Entwicklungen und Erkenntnisse sind jetzt in zwei Artikeln in Physical Review Letters erschienen.
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“, sagt 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.“
Fokus auf einen bisher vernachlässigten Frequenzbereich
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 Béla 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.
Erste Messungen mit einem Booster-Prototypen
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 Béla Majorovits [1]. „Die zweite Methode basiert auf dem Reflektionsverhalten 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 [2]. 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.
Weitere Infos:
Die Schwäche der Starken Kraft
Das Axion könnte nicht nur die Dunkle Materie erklären, sondern auch ein zentrales Problem der Teilchenphysik lösen: das sogenannte starke CP-Problem. Dabei geht es um die Frage, warum die starke Kraft, die die Quarks und Gluonen im Atomkern zusammenhält, unter Umkehrung der Zeitrichtung symmetrisch ist. Das Standardmodell der Teilchenphysik sagt eigentlich das Gegenteil voraus.
Das Problem lässt sich am Beispiel eines Wasserglases veranschaulichen. Ein Glas Wasser bleibt ein Glas Wasser, unabhängig vom Zeitpunkt des Betrachtens. Auch wenn man die Zeit wie in einem Film einige Minuten zurückspult, bleibt es ein Glas mit Wasser. Anders ist es bei einem Glas mit einem Eiswürfel: Bei Zimmertemperatur schmilzt dieser mit der Zeit. Dreht man die Zeitrichtung um, gefriert das Wasser wieder zu Eis – bei Raumtemperatur, was ja nicht möglich ist. In diesem Fall würde man von einer Asymmetrie unter Umkehrung der Zeitrichtung sprechen.
Laut Standardmodell der Teilchenphysik ist die starke Kraft unter Umkehrung der Zeitrichtung nicht symmetrisch. Allerdings gibt es dafür keine Belege. Diesen Widerspruch von Theorie und Praxis könnte das Axion auflösen: Das Teilchen könnte sich mit den Quarks und Gluonen verbinden und so eine Asymmetrie verhindern.
Max-Planck-Institut für Physik
PD Dr. Béla Majorovits
bela.majorovits@mpp.mpg.de
+49 8932354-262
[1] First Search for Dark Photon Dark Matter with a madmax Prototype
The MADMAX Collaboration
Phys. Rev. Lett. 134, 151004 (2025)
DOI: https://doi.org/10.1103/
[2] First Search for Axion Dark Matter with a MADMAX Prototype
The MADMAX Collaboration
Phys. Rev. Lett. 135, 041001 (2025)
DOI: https://doi.org/10.1103/c749-419q
https://www.mpp.mpg.de/aktuelles/meldungen/axion-suche-entscheidende-fortschritt...
Der MADMAX-Booster im Inneren des MORPURGO-Magneten am CERN
Copyright: MADMAX Collaboration
Criteria of this press release:
Journalists, Scientists and scholars
Physics / astronomy
transregional, national
Research projects, Research results
German
Der MADMAX-Booster im Inneren des MORPURGO-Magneten am CERN
Copyright: MADMAX Collaboration
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