DESY-Teilchenphysiker Krisztian Peters will mit dem Projekt 'SONAR' Gravitationswellen und Axionen auf die Spur kommen. Bild: DESY, Marta Mayer
Supraleitende Hohlraumresonatoren („Cavities“) sind das Herzstück vieler Teilchenbeschleuniger – sie bringen Teilchen auf extrem hohe Energien. Unter bestimmten Voraussetzungen kann man die Hohlraumstrukturen aus dem supraleitenden Material Niob aber auch benutzen, um bisher wenig oder sogar gar nicht erforschten Phänomenen auf den Grund zu gehen. Dazu gehören Gravitationswellen, die aus galaktischen Großereignissen kommend auf die Erde treffen, oder Axionen, aus denen die rätselhafte Dunkle Materie bestehen könnte, die aber außerordentlich schwer zu fangen sind.
DESY-Forscher Krisztian Peters hat jetzt dafür die außergewöhnlich hohe Fördersumme von 3,4 Millionen Euro vom Europäischen Forschungsrat (European Research Council, ERC) eingeworben, um im Rahmen des Projekts SONAR („Superconducting Oscillator for Novel Astrophysical Radiation”) einen neuen Detektor zu entwickeln, dessen Kernkomponente zwei solcher Cavities sind.
Krisztian Peters und sein Team wollen damit hochfrequente Gravitationswellen und ultraleichte Axionen in Bereichen aufspüren, in denen bislang noch keine Messungen existieren. Sollten sie dort Hinweise auf Axionen oder Gravitationswellen finden, wäre das ein klarer Beleg für bisher unentdeckte Phänomene im Universum – und damit eine wissenschaftliche Revolution. ERC Advanced Grants zählen zu den höchsten Auszeichnungen, die einzelne Forschende in Europa erhalten können; sie würdigen sowohl die persönliche wissenschaftliche Exzellenz und den bisherigen Forschungsweg der Forschenden als auch die Einzigartigkeit und Originalität des vorgeschlagenen Forschungsvorhabens.
Die Wissenschaft hinter SONAR
Gravitationswellen sind winzige Verformungen des Raumes, die Einblicke in extreme kosmische Ereignisse bieten, die mit Teleskopen nicht sichtbar gemacht werden können. Im Universum kursieren nicht nur die tiefen Gravitationswellen-Signale, die existierende Detektoren wie LIGO bereits messen, sondern auch extrem hochfrequente „Töne“, für die bestehende Detektoren allenfalls schmale Frequenzbereiche abdecken. Genau auf diese hohen Frequenzen will dieses Projekt zielen. In diesem Bereich hoffen die Forschenden, Signale aus bislang nur hypothetischen Quellen nachweisen zu können – und profitieren zugleich davon, dass das astrophysikalische Rauschen hier besonders gering ist. Ein Gravitationswellen-Signal dort wäre ein starkes Indiz für etwas ganz Neues: etwa exotische kompakte Objekte, Spuren des frühen Universums oder bislang unbekannte Teilchen jenseits der existierenden Theorien.
Die grundlegende Theorie der Teilchenphysik, das „Standardmodell“, beschreibt nur einen kleinen Teil dessen, was es im Universum gibt. Vor allem lässt sie die Frage offen, woraus Dunkle Materie besteht – eine unsichtbare Masse, deren Schwerkraft Galaxien zusammenhält. Auch Experimente an riesigen Teilchenbeschleunigern wie dem Large Hadron Collider (LHC) am CERN bei Genf haben noch keine Hinweise auf Dunkle Materie oder andere Abweichungen vom Standardmodell gefunden. Axionen sind hypothetische Teilchen, die das Rätsel der Dunklen Materie lösen könnten. Kleine, spezialisierte Axionen-Experimente sind hier besonders interessant, weil sie in ganz bestimmten Massen- und Energiebereichen suchen können. Mit ALPS II betreibt DESY bereits ein hochsensibles Axionen-Experiment; mit SONAR kommt ein weiteres hinzu, das ALPS ideal ergänzt.
Technisch nutzt SONAR einen supraleitenden Hohlraumresonator – eine Cavity –, in dem Mikrowellen in zwei fast identischen Schwingungsmoden zirkulieren. Eine vorbeilaufende Gravitationswelle würde die Cavity minimal stauchen und dehnen und so Energie von einem Schwingungsmodus in den anderen verschieben – ein winziger Effekt, den hochsensible Elektronik messen kann. Mit demselben Aufbau lässt sich auch nach ultraleichten Axionen suchen, die Teilchenkandidaten für die rätselhafte Dunkle Materie sind, die es im Universum geben muss, die aber noch nicht experimentell nachgewiesen werden konnte. Gelingt dieser technologisch anspruchsvolle Ansatz, wäre es eines der ersten dedizierten Experimente zur Suche nach hochfrequenten Gravitationswellen – und ein potenzieller Türöffner zu völlig neuer Physik.
Geballte Expertise auf dem Campus
Das Team um Krisztian Peters wird dabei auf die Erfahrungen zurückgreifen, die sie bereits mit einem Cavity-Prototypen (link) sammeln konnten. „SONAR profitiert enorm von der gebündelten Expertise, die rund um DESY und die Universität Hamburg auf dem Campus versammelt ist – hier gibt es Fachleute für Beschleuniger, Supraleitung, Kühlung, Auslesesysteme, Theorie, Axionen und vieles mehr“, sagt Krisztian Peters.
SONAR ist DESYs erster ERC Advanced Grant. Die Konkurrenz war hart: Nur 9,6 Prozent aller eingereichten Forschungsvorschläge wurde angenommen. Es gab 3329 Vorschläge, und SONAR ist eins von 319 ausgewählten Projekten. Die Principal Investigators (PI) für die ERC Advanced Grants müssen aktive Forscher sein, die bereits bedeutende Forschungsleistungen vorweisen können, und hinsichtlich der Originalität und Bedeutung ihrer Forschungsbeiträge herausragende Persönlichkeiten sind. Als Leitender Wissenschaftler im Bereich Teilchenphysik bei DESY konzentriert sich Krisztian Peters‘ Forschung auf die Suche nach Dunkler Materie und anderen Phänomenen jenseits des Standardmodells der Teilchenphysik. Er ist auch Key Researcher im Exzellenzcluster „Quantum Universe“ der Universität Hamburg.
„Meine herzlichsten Glückwünsche an Krisztian Peters für diese Auszeichnung“, sagt Ulrich Husemann, Forschungsdirektor für Teilchenphysik bei DESY. „Ich freue mich auf SONAR, das neue Experiment auf dem Campus, das unser Forschungsportfolio ideal ergänzt und auf unserer Expertise in Teilchenphysik, Beschleunigerentwicklung und Dunkle-Materie-Forschung aufbaut.“
Im Rahmen des auf fünf Jahre angelegten Projekts sollen zwei Postdoktorand:innen und vier Doktorand:innen eingstellt und die beiden Cavities gebaut werden. Dazu gehören die Entwicklung eines Steuerung- und Auslesesystems sowie einer seismischen Isolierung, die Inbetriebnahme im Kryostaten sowie Datennahme und Auswertung.
„Ich hoffe, dass SONAR zudem als technologischer Wegbereiter für die Detektion kosmologischer Gravitationswellen im Hochfrequenzbereich dienen wird, ähnlich wie die frühen Entwicklungen in der Laserinterferometrie, die zur Entdeckung der Gravitationswellen führten“, so Krisztian Peters.
