Forschungsbericht 2017 - Max-Planck-Institut für Physik

Axionen als Dunkle Materie – eine neue Suchstrategie

Autoren
Raffelt, Georg (für die MADMAX Arbeitsgruppe)
Abteilungen
MADMAX Arbeitsgruppe
Zusammenfassung
Die Dunkle Materie des Universums besteht vermutlich aus neuartigen Elementarteilchen, von denen bisher allerdings jede konkrete Spur fehlt. Das Axion ist eine traditionelle Hypothese, die derzeit eine Renaissance erlebt und zu vielfältigen neuen Aktivitäten führt. Diese extrem leichten Teilchen als Dunkle Materie unserer Galaxie sind eine Art klassisches Wellenphänomen und sie können mit einer speziellen Antenne aufgefangen werden, die ein Mikrowellensignal produziert. Eine neue Idee zur Umsetzung dieses Prinzips eröffnet neue Perspektiven zum Nachweis der Dunklen Materie.

Dunkle Materie: Rätselhafte kosmische Substanz

Abb. 1: Relative Anteile an der heutigen gravitativ wirkenden Energiedichte des Universums. Die völlig gleichförmig verteilte Dunkle Energie bewirkt die beschleunigte kosmische Expansion. Die Dunkle Materie ist strukturiert und insbesondere für den größten Teil der gravitierenden Masse in Galaxien verantwortlich. In unserer Gegend der Milchstraße gehen wir von einer Dichte der Dunklen Materie aus, die rund der Masse eines Wasserstoffatoms pro drei Kubikzentimeter entspricht. Summiert über die gesamte Galaxie ist dies jedoch ein Mehrfaches der in Sternen vorhandenen Masse. Weltweit wird mit verschiedenen Methoden versucht, diese winzige lokale Dichte Dunkler Materie direkt im Labor nachzuweisen.

Der gestirnte Himmel fasziniert die Menschheit seit Urzeiten, aber erst im 20. Jahrhundert erwuchs das physikalische Verständnis der Sterne als „gewöhnliche“ Gasbälle, die zwar groß und heiß sind, aber aus normaler Materie bestehen und den normalen Naturgesetzen gehorchen. Die Sterne wiederum ordnen sich zu Galaxien, die ihrerseits in noch größeren Strukturen das Universum füllen. Wenn man allerdings die Dynamik der Galaxien, Galaxienhaufen und der globalen kosmischen Strukturen aufgrund der wechselseitigen Gravitation berücksichtigt, wird klar, dass es neben der leuchtenden sehr viel mehr nicht-sichtbare Materie geben sollte. Dies ist bereits seit den 1930er Jahren bekannt. Die „Dunkle Materie“ wurde zunächst als ausgebrannte Sterne und dergleichen interpretiert. Mittlerweile zeigen wissenschaftliche Erkenntnisse, dass nur ein kleiner Teil der normalen Materie in Sternen konzentriert ist. Rund fünfmal soviel Dunkle Materie sollte in einer bisher unbekannten Form vorliegen. Hinzu kommt das Rätsel der beschleunigten Expansion des Universums, die auf „Dunkle Energie“ hindeutet, die jedoch die interne Dynamik einzelner Galaxien nicht beeinflusst (Abb. 1). Wie die verschiedenen Komponenten des „Dunklen Universums“ zu verstehen sind, bleibt eines der größten Rätsel unseres physikalischen Naturverständnisses.

Neue Elementarteilchen braucht das Universum

Seit vielen Jahren gehen die meisten Kosmologen davon aus, dass die Dunkle Materie aus einer neuen Form von Materie besteht, die nicht im Standardmodell der Teilchenphysik vorkommt und nach der fieberhaft gesucht wird – beispielsweise am Large Hadron Collider (LHC) am CERN, dem weltgrößten Teilchenbeschleuniger. Der hat zwar vor Kurzem das Higgs-Teilchen entdeckt, das letzte und vielleicht spektakulärste „Standardteilchen“, aber bisher keine Spur neuer Materieformen. Die wechselseitige Zerstrahlung Dunkler Materieteilchen kann zu charakteristischen Signalen in hochenergetischen kosmischen Strahlungen führen. Doch verschiedene experimentelle Anzeichen der vergangenen Jahre haben sich immer wieder zerschlagen. Neutrinos wurden früher als Dunkle Materie favorisiert, da sie nur sehr schwach wechselwirken, aber es ist längst klar, dass ihre Massen viel zu klein sind.

In dieser Situation kommt eine Hypothese aus den 1980er Jahren zu neuen Ehren, die das „Axion“ als Kandidaten für die Dunkle Materie postuliert. In der groß angelegten Suche nach den Teilchen der Dunklen Materie waren die Axionen zwischenzeitlich ins Hintertreffen geraten – und treten jetzt wieder ins Rampenlicht der Teilchenphysik. Axionen werden benötigt, um zu erklären, warum die starke Wechselwirkung – die Kraft, die Quarks zum Beispiel in Protonen und Neutronen zusammenhält – keinen Unterschied zwischen Materie und Antimaterie macht. Dies würde man nach Maßgabe der Quantenchromodynamik (QCD) aber erwarten. Die bisher hypothetischen Axionen hätten eine sehr kleine Masse und wären schwer nachzuweisen, weshalb oft vom „unsichtbaren Axion“ die Rede ist [1, 2]. Trotzdem wäre es im frühen Universum mit der nötigen Häufigkeit entstanden, was mit seiner engen Beziehung zur starken Wechselwirkung zusammenhängt. Es ist also ein idealer Kandidat für die Dunkle Materie.

Vielfältige Suchstrategien nach Axionen und ähnlichen Teilchen

Eine charakteristische Eigenschaft der Axionen ist ihre Fähigkeit, sich innerhalb eines starken Magnetfeldes in elektromagnetische Wellen (Photonen) umzuwandeln und umgekehrt [3]. Beispielsweise kann man einen Laserstrahl in einem Magnetfeld laufen lassen, der dann eine kleine Axionkomponente entwickelt. Wenn man ihn nach einer bestimmten Strecke blockiert, läuft der Axionanteil weiter, der dann im Magnetfeld auf der anderen Seite wieder als Licht erscheint („durch eine Wand leuchten“). Am DESY in Hamburg wird ein solches Experiment (ALPS-II) durchgeführt, wobei Lasertechnologie aus Gravitationswellen-Detektoren zum Einsatz kommt.

Abb. 2: Schematische Funktionsweise eines Axion-Helioskops. Von der Sonne abgestrahlte Axionen werden in einem starken Magnetfeld in Röntgen-Photonen verwandelt, die fokussiert und nachgewiesen werden. Das CAST Experiment am CERN hat solche Messungen im Zeitraum von 2003 bis 2015 durchgeführt, ohne jedoch Axionen zu finden. Ein viel größeres Internationales Axion Observatorium (IAXO) könnte diese Strategie weiterführen und in den wirklich interessanten Parameterbereich vordringen. (Abbildung angepasst von [2].)

Auch die Sonne wäre eine starke Axionenquelle. Richtet man einen starken Dipolmagneten wie ein Fernrohr dorthin, findet die Umwandlung entlang des Magneten statt und man kann am abgewandten Ende die entstandene Röntgenstrahlung messen (Abb. 2). Nach Abschluss eines solchen Experiments am CERN (CAST), an dem auch die Max-Planck-Institute für Physik, für extraterrestrische Physik und für Sonnensystemforschung zeitweise beteiligt waren, wird ein sehr viel größeres International Axion Observatory (IAXO) diskutiert, das eine ernsthafte Chance hätte, solare Axionen wirklich zu entdecken.

Um jedoch Axionen als Dunkle Materie zu finden, müssen Wissenschaftler in der Galaxie suchen. Man kann sich die dunkle Axionmaterie wie ein Feld oder Wellenphänomen vorstellen, eine Art Laserlicht mit Masse, das also im Raum nahezu ruht anstatt mit Lichtgeschwindigkeit zu laufen. Wenn man nun einen Mikrowellenresonator in ein starkes Magnetfeld einbringt, dann induziert das galaktische Axionfeld in diesem Schwingungen, die als Mikrowellenstrahlung gemessen werden können, wenn sie genügend verstärkt werden. Wenn der Resonator auf die unbekannte Axionmasse abgestimmt wird, erhält man ein starkes Signal, ansonsten Rauschen. Wie auf der Suche nach einem Radiosender unbekannter Frequenz muss man ein breites Spektrum absuchen. Dies ist sehr aufwendig, aber sobald man den „Sender“ gefunden hat, ist der Rest einfach. Diese Grundidee wird seit Jahren an der University of Washington in Seattle verfolgt (ADMX), mittlerweile mit einer solchen Empfindlichkeit, dass der Nachweis garantiert ist, falls die Axionmasse in dem zugänglichen Frequenzband von einigen Gigahertz liegt und Axionen tatsächlich die gesamte Dunkle Materie ausmachen. Seit wenigen Jahren gibt es in Südkorea ein ganzes Institut, vergleichbar mit einem Max-Planck-Institut, das sich diesem und ähnlichen Themen widmet (Center for Axion and Precision Physics, CAPP ).

Ein neues Axion-Radio

Abb. 3: Schematische Funktionsweise eines dielektrischen Axion-Haloskops. Ein Spiegel wird in ein starkes externes Magnetfeld mit 10 Tesla eingebracht (grüne Pfeile) sowie mit einer Vielzahl paralleler elektrisch nicht leitender Scheiben (Größe ca. 1 Quadratmeter) versehen, an denen jeweils Mikrowellenstrahlung entsteht (blaue Pfeile), die durch das galaktische Axionfeld angetrieben werden. Zwischen den Scheiben entstehen Quasi-Resonanzen, die den Effekt noch deutlich verstärken. (Interne Reflexionen sind hier nicht dargestellt.) Ein Mikrowellen-Empfänger registriert das Signal. Die mikrometergenaue Justierung der Scheiben erlaubt eine genaue Abstimmung des Verstärkungsverhaltens auf einen engen Frequenzbereich, was den Nachweis der Dunklen Materie in Form von Axionen erst denkbar macht.

Die Entstehung der kosmischen Axionen in einer Art Phasenübergang, in dem verschiedene metastabile topologische Strukturen des Axionfeldes entstehen, legt jedoch nahe, dass der kritische Wert der Axionmasse und damit der relevante Frequenzbereich im bisher wenig untersuchten Bereich von 10 bis 100 Gigahertz liegen könnte. Um diesen Bereich zu erschließen, wird am Max-Planck-Institut für Physik ein neuer Ansatz für das „Axion-Radio“ verfolgt, um das galaktische Axionfeld effizient an eine Mikrowellenantenne zu koppeln. Wieder benötigt man ein starkes Magnetfeld. Bringt man einen Spiegel in diesen Bereich, dann bewirkt der Sprung des Brechungsindex an der Grenzfläche zwischen Spiegel und leerem Raum, dass das Axionfeld die Abstrahlung von Mikrowellen von der Oberfläche antreibt. Diese Strahlung kann deutlich verstärkt werden, wenn man viele nicht leitende (dielektrische) Scheiben parallel zum Spiegel anbringt, denn jede Grenzfläche erzeugt weitere Strahlung und zwischen den Scheiben entstehen Quasiresonatoren (Abb. 3). Durch präzise Wahl der Abstände kann das Verstärkungsverhalten als Funktion der Frequenz genau gesteuert werden und man kann ein breites Spektrum nach und nach durchmustern.

Unter dem Arbeitstitel MADMAX (Magnetized Dielectric Mirror Axion Experiment) wird ein solches Experiment am Max-Planck-Institut für Physik und einer wachsenden Zahl externer Interessenten vorangetrieben [4]. Die technischen Herausforderungen sind enorm, angefangen von einem 10 Tesla-Magneten mit einem Volumen von etwa 2 Kubikmetern, hundert dielektrischen Scheiben von etwa 1 Quadratmeter Größe, die auf wenige Mikrometer genau parallel platziert und gesteuert werden müssen, bis hin zu der empfindlichen Detektortechnologie für Mikrowellen, um das Rauschen zu minimieren. Erste Messungen an einem einfachen Prototypen lassen Raum für den optimistischen Schluss, dass ein solches Experiment mit der nötigen Empfindlichkeit funktionieren könnte.

Licht ins Dunkel bringen

Die erste Euphorie der 1980er Jahre, als man in der damaligen „Goldgräberstimmung“ glaubte, die Dunkle Materie schnell in Form neuer Elementarteilchen finden zu können, ist der Erkenntnis gewichen, dass sich die Natur dieses Geheimnis nicht so leicht abringen lässt. Auf der anderen Seite sind einige Ideen viel zu lange vernachlässigt worden und heute herrscht wieder ein wenig Goldgräberstimmung, diesmal im Bereich der Axionsuche. Vielleicht ist es ja eine der neuen Strategien, welche die Dunkle Materie gewissermaßen aufleuchten lässt und endlich klarstellt, woraus das Universum denn nun wirklich besteht. Auf Überraschungen sollte man gefasst sein.

Literaturhinweise

1.
Kuster, M.; Raffelt, G.; Beltrán, B. (eds.)
Axions: Theory, Cosmology, and Experimental Searches
Lecture Notes in Physics 741, 1-245 (2008)
DOI
2.
Ringwald, A.; Rosenberg, L. J.; Rybka, G.
Axions and Other Similar Particles
Chinese Physics C 40,  100001 (2016)
3.
Graham, P. W.; Irastorza, I. G.; Lamoreaux, S. K.; Lindner, A.; van Bibber, K. A.
Experimental Searches for the Axion and Axion-Like Particles
Annual Review of Nuclear and Particle Science 65, 485-514 (2015)
4.
Caldwell, A.; Dvali, G.; Majorovits, B.; Millar, A.; Raffelt, G.; Redondo, J.; Reimann, O.; Simon, F.; Steffen, F. (The MADMAX Working Group)
Dielectric Haloscopes: A New Way to Detect Axion Dark Matter
Physical Review Letters 118, 091801 (2017)
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