Das CAST-Experiment am CERN liefert neue Informationen über die Eigenschaften von Axionen – hypothetische Teilchen, die sehr schwach mit gewöhnlicher Materie interagieren und dadurch die rätselhafte Dunkle Materie erklären könnten, die den Großteil der Materie im Universum zu bilden scheint. Die neuen Ergebnisse wurden am 1. Mai 2017 im Journal Nature Physics veröffentlicht.
Axionen wurden von Theoretikern vor mehreren Jahrzehnten postuliert, ursprünglich um ein wichtiges Problem im Standardmodell der Teilchenphysik zu lösen, das mit den Unterschieden zwischen Materie und Antimaterie zusammenhängt. Das Teilchen wurde nach einer Reinigungsmittelmarke benannt, weil seine Existenz es erlauben würde, die Theorie zu „reinigen“.
Eine Vielzahl von erd- und weltraumgestützten Observatorien sucht nach möglichen Orten, an denen Axionen erzeugt werden könnten – vom Inneren der Erde über das galaktische Zentrum bis zurück zum Urknall.
Das CERN Axion Solar Telescope (CAST) Experiment sucht nach Axionen von der Sonne, wobei ein spezielles Teleskop zum Einsatz kommt. Dieses als Helioskop bezeichnete Instrument wurde aus einem Testmagneten konstruiert, der ursprünglich für den Large Hadron Collider gebaut wurde. Der zehn Meter lange, supraleitende Magnet agiert wie ein Beobachtungstubus und ist direkt auf die Sonne ausgerichtet. Jegliche solare Axionen, die in den Tubus eintreten, würden durch sein starkes Magnetfeld in Röntgenphotonen umgewandelt, die von speziellen Detektoren an jedem Ende des Magneten registriert werden würden.
Seit 2003 hat das auf einer beweglichen Plattform stehende CAST-Helioskop die Bewegungen der Sonne für mehrere Monate im Jahr während 1,5 Stunden bei der Morgendämmerung und 1,5 Stunden bei der Abenddämmerung verfolgt. Der Detektor ist mit der Präzision von etwa einem Hundertstel Grad an der Sonne ausgerichtet.
In der veröffentlichten Abhandlung, basierend auf Daten, die zwischen 2012 und 2015 aufgezeichnet wurden, findet CAST keine Belege für solare Axionen. Das hat der Collaboration erlaubt, die bislang engsten Grenzen bezüglich der Stärke der Verbindung zwischen Axionen und Photonen für alle möglichen Axionenmassen aufzustellen, für die das CAST-Experiment empfindlich ist. „Die Grenzen betreffen einen Teil des Axionenparameterraums, der von aktuellen theoretischen Vorhersagen noch favorisiert wird und der experimentell sehr schwer zu erforschen ist“, erklärte der stellvertretende CAST-Sprecher Igor Garcia Irastorza. „Erstmals konnten wir Grenzen aufstellen, die mit den restriktiveren Begrenzungen aus astrophysikalischen Beobachtungen vergleichbar sind.“
Seit 2015 hat CAST seine Forschung auf die energiearme Grenze ausgeweitet, um die Suche nach anderen schwach wechselwirkenden Teilchen aus dem Dunkle-Energie-Sektor einzubeziehen, beispielsweise „solare Chamäleons“. Die Erfahrung, die von CAST im Verlauf der letzten 15 Jahre gewonnen wurde, wird Physikern auch helfen, die Nachweistechnologien zu definieren, die für ein geplantes und viel größeres Axion-Helioskop der nächsten Generation namens IAXO zweckdienlich sind.
„Auch wenn wir noch nicht in der Lage waren, das Axion zu beobachten, hat CAST dank der Unterstützung des CERN und der unablässigen Arbeit der CAST-Mitarbeiter sogar die anfangs erwartete Empfindlichkeit übertroffen“, sagte der CAST-Sprecher Konstantin Zioutas. „Die CAST-Ergebnisse sind immer noch ein Referenzpunkt auf unserem Gebiet.“
Abhandlung: „New CAST limit on the axion-photon interaction“ von der CAST Collaboration et al.
(THK)
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