Mit einem Haloskop auf der Suche nach dunkler Materie

Ein neues Papier rein Das Europäische Physikalische Journal Plus stellt eine neuartige Methode zur Suche nach einer Art dunkler Materie vor, die als Axionen bekannt ist; eine modifizierte Version dieser Technik kann nützliche „echte“ Anwendungen haben.

Man geht heute davon aus, dass der größte Teil des Universums aus dunkler Materie besteht – mysteriöse Substanzen, die fast unmöglich zu entdecken sind, weil sie nicht mit Licht oder irgendeiner anderen elektromagnetischen Strahlung interagieren. Physiker suchen seit Jahrzehnten mit unterschiedlichen Techniken danach; Nicolò Crescini, jetzt Institut Néel, Grenoble, Frankreich, entwickelte eine neuartige Methode zur Suche nach einer Art dunkler Materie, Axionen, als er an den Laboratori Nazionali di Legnaro, Padua, Italien, arbeitete.

Axionen sind hypothetische Teilchen, die in den 1970er Jahren eingeführt wurden, um eine Lücke im Standardmodell der Teilchenphysik zu schließen, nämlich das starke CP-Problem. „Das Studium von Axionen ist eine gute Möglichkeit, zwei Fliegen – dunkle Materie und das starke CP-Problem – mit einer Klappe zu schlagen, dem Axion“, sagt Crescini.

Die Methoden zur Suche nach Axionen unterscheiden sich von den typischen Experimenten der Teilchenphysik, bei denen sich schnell bewegende Teilchen in Beschleunigern kollidieren. Stattdessen suchen diese Experimente nach schwachen elektromagnetischen Anomalien, die bei extrem niedriger Energie nachgewiesen werden können und darauf hindeuten, dass Axionen an andere fundamentale Teilchen koppeln.

„Die meisten dieser Experimente suchen nach Axionen, die mit Photonen koppeln“, fügt Crescini hinzu. „Dieser Ansatz sucht nach der Kopplung mit Elektronen, was schwieriger ist, aber reichhaltigere Ergebnisse liefern kann.“ Dabei wird eine Probe aus magnetischem Material in einer sehr gut kontrollierten Umgebung nahe dem absoluten Temperaturnullpunkt platziert und auf anomale Variationen der Magnetisierung überwacht, die auf eine Axionaktivität hinweisen könnten. Das System ist eine Art Magnetometer, bekannt als Haloskop nach dem Halo aus Dunkler Materie der Milchstraße.

Dieses Experiment mit dem Namen QUAX (kurz für „Quaerere Axions“, wobei „quaerere“ lateinisch für „suchen“ ist) ist noch nicht empfindlich genug, um Axionen nachweisen zu können. „Es muss vergrößert werden, und es müssen empfindlichere Sensoren eingesetzt werden“, sagt Crescini. „Trotzdem hat diese Forschung auch praktische Anwendungen: Wir haben eine modifizierte Version patentiert, die als kommerzielles Magnetometer verwendet werden könnte.“