Das MADMAX-Team während einer Testreihe am CERN. Bild: MADMAX Collaboration
Dunkle Materie ist eins der begehrtesten Dinge im Universum. Sie würde viele offene Fragen über die Natur und die Regeln des Universums mit einer einzigen Entdeckung beantworten. Viele verschiedene Experimente auf der ganzen Welt jagen nach dunkler Materie, zum Beispiel das ALPS-II-Experiment bei DESY, das im vergangenen Jahr mit der Datenerfassung begonnen hat, und ein Experiment namens MADMAX, das noch in Planung ist. MADMAX, kurz für MAgnetized Disc and Mirror Axion eXperiment, hat gerade mehrere wichtige Meilensteine auf dem Weg zum Bau geschafft. Ziel des Experiments ist die Entdeckung von Teilchen der dunklen Materie, den so genannten Axionen. Theoretiker:innen vermuten, dass sich Axionen mit einer bestimmten Masse nach der inflationären Expansionsphase kurz nach dem Urknall gebildet haben. MADMAX ist eine internationale Zusammenarbeit von Wissenschaftlern, die von Forschern des Max-Planck-Instituts für Physik initiiert wurde und 2017 bei DESY gestartet ist.
MADMAX soll in einer der unterirdischen Experimentierhallen des ehemaligen HERA-Tunnels bei DESY installiert werden und dort Axionen in einem starken Magnetfeld durch ein verräterisches elektromagnetisches Signal aufspüren. Mit mehreren Prototypen und Tests in verschiedenen Forschungslaboren wird die Machbarkeit des Experiments getestet und demonstriert.
MADMAX beruht auf dem Prinzip, dass bestimmte Teilchen die Fähigkeit haben, die Eigenschaften anderer Teilchen anzunehmen. In einem statischen und starken Magnetfeld verhält sich ein Axion ein wenig wie ein Photon, indem es winzige Oszillationen des elektrischen Feldes hervorruft. Würden die Wissenschaftler:innen diese Oszillation des elektrischen Feldes nachweisen, könnten sie die Existenz von Axionen der dunklen Materie bestätigen. Allerdings ist das nicht ganz so einfach, wie es klingt, denn jedes Signal wäre selbst für die empfindlichsten Detektoren viel, viel zu schwach.
Ihre Idee ist daher, das Signal zu verstärken, indem sie dem Axion viele sorgfältig platzierte dielektrische Scheiben in den Weg stellen, was dazu führen würde, dass die Axion-induzierten elektrischen Feldschwingungen Mikrowellen aussenden, wenn sie aufeinander treffen. Diese Wellen können kombiniert und reflektiert und somit verstärkt werden. Diese Prinzipien, den Detektor und den Magneten hat die MADMAX-Kollaboration auf die Probe gestellt.
Die MADMAX-Kollaboration hat auf dem 97. DESY Physics Review Committee (PRC) erste Ergebnisse vorgestellt. Seit der letzten Begutachtung durch das DESY-PRC hat die Kollaboration Experimente mit drei Prototypen durchgeführt, die sich durch ihre Komplexität und zunehmende Größe unterscheiden, und überzeugende Antworten auf alle wichtigen Fragen des Gutachterausschusses gegeben.
Das Team hat einen Prototyp mit drei Scheiben und einem Durchmesser von zehn Zentimetern in einem Kryostaten in einem 1,6-Telsa-Magneten am CERN eingesetzt und damit bewiesen, dass es in der Lage ist, Detektoren bei einer Temperatur von 4 K zu kalibrieren und zu betreiben. Sie testeten auch einen Prototyp mit drei Scheiben von 20 Zentimetern Durchmesser, bei dem der Scheibenabstand im Magneten eingestellt werden kann, um zu prüfen, ob die Frequenz des Signals wie geplant abgestimmt werden kann. Außerdem haben sie erste Daten von potenziellen axionähnlichen Teilchen gesammelt, die im Moment analysiert werden. Schließlich setzten sie einen Prototyp mit drei Scheiben von 30 Zentimetern Durchmesser im SHELL- Experimentallabor (Shielded Experimental Laboratoty) der Universität Hamburg ein und konnten bereits konkurrenzfähige Dark-Photon-Grenzen im Massenbereich um 80 Mikro-EV setzen. Mit anderen Worten: Sie haben keine Axionen entdeckt, aber sie wissen jetzt, wie man nach ihnen suchen kann.
"Das Erreichen dieser drei wichtigen Meilensteine klärt die Mehrzahl der offenen Fragen zur Durchführbarkeit des Experiments", sagt Erika Garutti, Vorsitzende des Kollaborationsgremiums und Sprecherin des Exzellenzclusters Quantum Universe, das das Experiment mit erheblichen Investitionen in Hamburg unterstützt.
"MADMAX hat beeindruckende Arbeit geleistet, aber bei der Suche nach Axionen dreht sich alles um den Magneten", sagt Yannis Semertzidis, Mitglied des DESY Physics Review Committee und Direktor des Institute for Basic Science Center for Axion and Precision Physics Research sowie Physikprofessor am Korea Advanced Institute of Science & Technology (KAIST). Die nächste Herausforderung für MADMAX besteht darin, einen 9-Tesla-Großdipolmagneten zu beschaffen, um die Fläche des Detektors und damit die Empfindlichkeit für Axionen auf die Anforderungen für den Nachweis zu erhöhen. Um diese Aufgabe zu erleichtern, hat die Max-Planck-Gesellschaft erhebliche Mittel für die Herstellung und den Test eines Demonstrationsmagneten zur Verfügung gestellt.
Der Zeitrahmen für das Experiment ist 2032/2039. Sofern die Mittel zur Verfügung stehen, wird der Magnet im Jahr 2027/2032 hergestellt und getestet, und die MADMAX-Wissenschaftler:innen hoffen, dass sie im Jahr 2032 die ersten Daten mit einem vollwertigen Experiment aufnehmen können.
