Hypothetische Teilchen – sogenannte Axionen – könnten gleich zwei Rätsel auf einmal lösen. Sie könnten für Dunkle Materie verantwortlich sein – die rätselhafte Substanz, von der man annimmt, dass sie einen Großteil der Materie im Universum ausmacht. Und sie könnten auch die Symmetrieeigenschaften der starken Wechselwirkung erklären, die Protonen und Neutronen in Atomkernen zusammenhält.
Aber der theoretische Raum der Möglichkeiten für Axionen ist groß, sowohl auf ihre Masse bezogen als auch auf die Stärke ihrer Wechselwirkung mit anderen Teilchen. Suchprojekte nach Axionen zielen daher auf unterschiedliche Regionen dieses Raums ab, wobei jedes Suchprojekt seine eigenen Entdeckungsmöglichkeiten mitbringt und seine Ergebnisse die zukünftigen Suchprojekte anleitet.
Im Rahmen einer neuen Studie im Journal Nature Communications arbeitete ein Forschungsteam mit dem CAST-Experiment des CERN und berichtet, wie sie Teile des Experiments zweckentfremdet haben, um eine bislang unkartierte Region des Axionenraums anzuvisieren.
CAST wurde ursprünglich entworfen, um nach Axionen zu suchen, die von der Sonne stammen. In ihrer neuen Studie platzierte das CAST-Team einen Resonator aus vier Hohlräumen in einem der beiden Bohrungen des zum Experiment gehörenden Magneten, um einen Axionendetektor zu bauen, der stattdessen nach Axionen aus dem Dunkle-Materie-Halo der Milchstraße Ausschau hält. Diesem Axionen-„Haloskop“ gaben sie die Bezeichnung CAST-CAPP.
In einem starken Magnetfeld wie jenem des CAST-Magneten sollten sich Axionen in Photonen umwandeln. Der Resonator eines Axionen-Haloskops ist im Grunde genommen wie ein Radio, das die Forscher einstellen können, um die Frequenz dieser umgewandelten Photonen zu finden. Aber die Frequenz der Axionen-„Radiostation“ ist nicht bekannt, daher müssen die Forscher langsam ein Frequenzband abscannen, um die Frequenz des Axionensignals zu identifizieren.
Der Resonator von CAST-CAPP kann eingestellt werden, um Axionensignale zwischen 4,774 GHz und 5,434 GHz zu empfangen, was einer Axionenmasse zwischen 19,74 und 22,47 Mikroelektronenvolt entspricht.
Die CAST-Wissenschaftler scannten dieses 660MHz-Frequenzband zwischen dem 12. September 2019 und dem 21. Juni 2021 in Schritten von 200 kHz für 4.124 Stunden. Dabei isolierten sie bekannte Hintergrundsignale wie die 5GHz-WLANs, aber sie fingen kein Axionensignal auf. Allerdings setzen die CAST-CAPP-Daten der Maximalstärke der Wechselwirkung von Axionen mit Photonen für Axionenmassen zwischen 19,74 und 22,47 Mikroelektronenvolt neue Grenzen und schränken den Raum ein, in dem man nach Axionen-Dunkler-Materie suchen muss.
Die neuen Grenzen ergänzen die Ergebnisse früherer Axionen-Suchprojekte, darunter die des anderen CAST-Haloskops RADES, das im Jahr 2018 Daten sammelte. Die Suche nach Dunkler Materie geht weiter.
(THK)
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