Mit dem „Licht scheint durch eine Wand“-Experiment ALPS II startet heute bei DESY das weltweit empfindlichste modellunabhängige Experiment zur Suche nach besonders leichten Teilchen, aus denen dunkle Materie bestehen könnte. Wissenschaftliche Berechnungen sagen voraus, dass diese ominöse Form der Materie im Universum fünfmal so häufig vorkommen sollte wie normale, sichtbare Materie. Allerdings ist es bislang niemandem gelungen, Partikel dieses Stoffes zu identifizieren; Einen solchen Beweis könnte nun das ALPS-Experiment liefern.
Das Experiment ALPS (Any Light Particle Search) mit einer Gesamtlänge von 250 Metern sucht nach einer besonders leichten Art neuer Elementarteilchen. Mit 24 recycelten supraleitenden Magneten aus dem HERA-Beschleuniger, einem intensiven Laserstrahl, Präzisionsinterferometrie und hochempfindlichen Detektoren will das internationale Forscherteam nach diesen sogenannten Axionen oder axionähnlichen Teilchen suchen.
Es wird angenommen, dass solche Teilchen mit bekannten Materiearten nur äußerst schwach reagieren und daher in Experimenten mit Beschleunigern nicht nachgewiesen werden können. Um sie nachzuweisen, greift ALPS deshalb auf ein ganz anderes Prinzip zurück: In einem starken Magnetfeld könnten sich Photonen – also Lichtteilchen – in diese geheimnisvollen Elementarteilchen und wieder zurück in Licht verwandeln.
„Die Idee für ein Experiment wie ALPS gibt es schon seit über 30 Jahren. Durch die Nutzung von Komponenten und der Infrastruktur des ehemaligen HERA-Beschleunigers sowie modernster Technologien sind wir nun in der Lage, ALPS II international zu realisieren.“ Zusammenarbeit zum ersten Mal“, sagt Beate Heinemann, Direktorin für Teilchenphysik bei DESY.
Helmut Dosch, Vorsitzender des DESY-Direktoriums, ergänzt: „DESY hat es sich zur Aufgabe gemacht, Materie in all ihren Formen zu entschlüsseln. ALPS II passt also perfekt zu unserer Forschungsstrategie und öffnet vielleicht die Tür zur Dunklen Materie.“
Das ALPS-Team schickt einen hochintensiven Laserstrahl entlang eines sogenannten optischen Resonators in einer etwa 120 Meter langen Vakuumröhre, in der der Strahl hin und her reflektiert wird und die von zwölf in einer geraden Linie angeordneten HERA-Magneten umschlossen ist . Wenn sich ein Photon im starken Magnetfeld in ein Axion verwandeln würde, könnte dieses Axion die undurchsichtige Wand am Ende der Magnetlinie durchdringen.
Sobald es die Wand durchdrang, gelangte es in eine weitere magnetische Spur, die fast identisch mit der ersten war. Hier könnte sich das Axion dann wieder in ein Photon verwandeln, das am Ende vom Detektor eingefangen würde. Hier wird ein zweiter optischer Resonator aufgebaut, der die Wahrscheinlichkeit, dass sich ein Axion wieder in ein Photon verwandelt, um den Faktor 10.000 erhöht.
Das heißt, wenn Licht hinter die Wand gelangt, muss es ein Axion dazwischen gewesen sein. „Allerdings ist die Wahrscheinlichkeit, dass sich ein Photon in ein Axion und wieder zurück verwandelt, trotz all unserer technischen Tricks sehr gering“, sagt Axel Lindner von DESY, Projektleiter und Sprecher der ALPS-Kollaboration, „als würde man 33 Würfel werfen und alle würfeln.“ das gleiche.“
Damit das Experiment tatsächlich funktionierte, mussten die Forscher alle verschiedenen Komponenten der Apparatur auf maximale Leistung optimieren. Der Lichtdetektor ist so empfindlich, dass er ein einzelnes Photon pro Tag erfassen kann. Rekordverdächtig ist auch die Präzision des Spiegelsystems für das Licht: Der Abstand zwischen den Spiegeln muss auf den Bruchteil eines Atomdurchmessers bezogen auf die Wellenlänge des Lasers konstant bleiben.
Quelle: Deutsches Elektronen-Synchrotron
Und die jeweils neun Meter langen supraleitenden Magnete erzeugen in der Vakuumröhre ein Magnetfeld von 5,3 Tesla, mehr als das 100.000-fache der Stärke des Erdmagnetfelds. Die Magnete wurden aus dem 6,3 Kilometer langen Protonenring des HERA-Beschleunigers entnommen und für das ALPS-Projekt upgecycelt. Die Magnete waren ursprünglich innen gebogen und mussten für das Experiment gerade ausgerichtet werden, damit sie mehr Laserlicht speichern konnten; und die Sicherheitsausrüstung für den Betrieb unter supraleitenden Bedingungen bei minus 269 Grad Celsius wurde komplett überarbeitet.
Das ALPS-Experiment wurde ursprünglich vom DESY-Theoretiker Andreas Ringwald vorgeschlagen, der mit seinen Berechnungen zur Erweiterung des Standardmodells auch die theoretische Motivation für das Experiment untermauerte. Ringwald sagt: „Experimentelle und theoretische Physiker haben für ALPS sehr eng zusammengearbeitet. Das Ergebnis ist ein Experiment, das ein einzigartiges Potenzial zur Entdeckung von Axionen hat, mit denen wir vielleicht sogar nach hochfrequenten Gravitationswellen suchen.“
Die Suche nach Axionen beginnt zunächst in einem abgeschwächten Betriebsmodus, was die Suche nach „Hintergrundlicht“ vereinfacht, das fälschlicherweise auf das Vorhandensein von Axionen hinweisen könnte. Die volle Empfindlichkeit soll das Experiment im zweiten Halbjahr 2023 erreichen. Im Jahr 2024 soll das Spiegelsystem aufgerüstet werden, zu einem späteren Zeitpunkt kann auch ein alternativer Lichtdetektor eingebaut werden.
Erste Ergebnisse von ALPS wollen die Wissenschaftler im Jahr 2024 veröffentlichen. Lindner ist überzeugt: „Selbst wenn wir bei ALPS keine leichten Teilchen finden, wird das Experiment die Ausschlussgrenzen für ultraleichte Teilchen um den Faktor 1000 verschieben.“
Insgesamt haben sich rund 30 Wissenschaftler in der internationalen ALPS-Kollaboration zusammengeschlossen. Sie kommen von sieben Forschungseinrichtungen: neben DESY dem Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut), dem Institut für Gravitationsphysik der Leibniz-Universität Hannover, der Cardiff University (UK), der University of Florida (Gainesville, Florida). Beteiligt sind unter anderem die Johannes Gutenberg-Universität Mainz, die Universität Hamburg und die University of Southern Denmark (Odense).
Die Forscher schmieden bereits Pläne für die Zeit nach ihrer aktuellen Suche nach Axionen. Mit ALPS wollen sie beispielsweise herausfinden, ob ein Magnetfeld die Ausbreitung von Licht im Vakuum beeinflusst, wie Euler und Heisenberg vor Jahrzehnten vorhergesagt haben. Und mit dem Versuchsaufbau wollen die Forscher auch hochfrequente Gravitationswellen nachweisen.
Was sind Axionen?
Axionen sind hypothetische Elementarteilchen. Sie sind Teil eines physikalischen Mechanismus, den der theoretische Physiker Roberto Peccei und seine Kollegin Helen Quinn 1977 postulierten, um ein Problem der starken Wechselwirkung – einer der vier Grundkräfte der Natur – zu lösen. 1978 verknüpften die theoretischen Physiker Frank Wilczek und Steven Weinberg ein neues Teilchen mit diesem Peccei-Quinn-Mechanismus.
Da dieses Teilchen die Theorie „aufräumen“ würde, nannte Wilczek es „Axion“, nach einem Detergens. Eine Reihe verschiedener Erweiterungen des Standardmodells der Teilchenphysik sagen die Existenz von Axionen oder axionähnlichen Teilchen voraus. Wenn es sie gäbe, würden sie eine ganze Reihe von Problemen lösen, die Physikern derzeit Kopfzerbrechen bereiten, darunter auch die Frage, ob sie für die Bausteine der Dunklen Materie in Frage kommen. Nach aktuellen Berechnungen dürfte diese Dunkle Materie im Universum etwa fünfmal so häufig vorkommen wie normale Materie.