Auf der Suche nach dem Axion, einem vorgeschlagenen Bestandteil der Dunklen Materie

Die Entdeckung des Axions würde eine Schlüsselepisode in der Geschichte der Wissenschaft markieren. Dieses hypothetische Teilchen könnte gleichzeitig zwei grundlegende Probleme der modernen Physik lösen: das Problem von Ladung und Parität in der starken Wechselwirkung und das Geheimnis der dunklen Materie. Trotz des großen wissenschaftlichen Interesses daran, es zu finden, wurde die Suche bei hohen Funkfrequenzen – über 6 GHz – wegen des Fehlens der hochempfindlichen Technologie, die zu angemessenen Kosten gebaut werden könnte, fast außer Acht gelassen. Bis jetzt.

Das Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC) wird an einer internationalen Zusammenarbeit zur Entwicklung des DALI-Experiments (Dark-Photons & Axion-Like Particles Interferometer) teilnehmen, eines Astroteilchenteleskops für dunkle Materie, dessen wissenschaftliches Ziel die Suche nach Axionen und Paraphotonen ist im 6 bis 60 GHz Band. Der Prototyp, Proof of Concept, befindet sich derzeit in der Entwurfs- und Fertigungsphase des IAC. Das Whitepaper, das das Experiment beschreibt, wurde zur Veröffentlichung in der angenommen Zeitschrift für Kosmologie und Astroteilchenphysik ((JCAP).

Theoretisch in den 1970er Jahren vorhergesagt, ist das Axion ein hypothetisches Teilchen mit geringer Masse, das schwach mit Standardteilchen wie Nukleonen und Elektronen sowie mit Photonen interagiert. Diese vorgeschlagenen Wechselwirkungen werden untersucht, um zu versuchen, das Axion mit verschiedenen Instrumententypen zu erfassen. Eine vielversprechende Technik besteht darin, die Wechselwirkung von Axionen mit Standardphotonen zu untersuchen.

“Axionen ‘mischen’ sich mit Photonen unter Einwirkung eines starken externen Magnetfelds, wie sie von den supraleitenden Magneten in Partikeldetektoren oder für die medizinische Diagnostik durch Magnetresonanz erzeugt werden, und erzeugen ein schwaches Radio- oder Mikrowellensignal. Dieses Signal hat wurde seit Ende der 80er Jahre in einer Vielzahl von Experimenten gesucht, und es ist nur das Signal, das wir jetzt mit DALI erkennen wollen, obwohl es sich um einen neuen, fast unerforschten Parameterbereich handelt, der dank erstmals zum ersten Mal verfügbar sein wird dieses Experiment “, erklärt Javier De Miguel, IAC-Forscher und Erstautor der Studie.

Die ersten Axiondetektoren, die in den 80er und 90er Jahren hergestellt wurden, verwendeten einen Resonanzhohlraum, der innerhalb eines Supermagneten das vom Axion vorhergesagte schwache Mikrowellensignal verstärkte und versuchte, es in einen von wissenschaftlichen Instrumenten nachweisbaren Leistungsbereich zu bringen. Leider ist die Größe des Hohlraums umgekehrt proportional zur Abtastfrequenz, und für das Axion waren die Hohlräume zu klein, um für Frequenzen größer als etwa 6 GHz hergestellt zu werden.

Aus diesem Grund vereint das neue Experiment die vielversprechendsten Techniken zum Scannen bei hohen Frequenzen und schließt es in ein praktisches Design ein, zu dem auch die Kapazität von Astroteilchendetektoren für axionische Dunkle Materie hinzugefügt wird. Auf diese Weise umfasst DALI einen leistungsstarken supraleitenden Magneten, einen Axion-Detektor mit einem neuartigen Resonator, um das durch die Axionen verursachte schwache Signal erkennbar zu machen, und eine Altazimut-Halterung, mit der Objekte und Regionen am Himmel nach dunkler Materie durchsucht werden können.

Auf diese Weise könnte DALI beim Nachweis des Axions helfen, eines pseudoskalaren Teilchens, dessen Natur der des 2012 am CERN entdeckten Higgs-Bosons ähnelt, und eines vielversprechenden Kandidaten für dunkle Materie. Dunkle Materie ist ein grundlegender Bestandteil des Universums, der sehr schwach mit gewöhnlicher Materie interagiert und daher sehr schwer direkt zu erkennen ist, dessen Entdeckung es uns jedoch ermöglichen würde, die Rotationskurven der Spiralgalaxien zu erklären und warum die Strukturbildung in der Das Universum hat sich unter anderem so entwickelt wie bisher.