Ziel des Experiments ist die Entdeckung potenzieller Teilchen der Dunklen Materie, so genannter Axionen. Modelle der theoretischen Teilchenphysik besagen, dass sich Axionen mit einer bestimmten Masse nach der Inflationsphase bildeten, als sich das Universum in sehr kurzer Zeit massiv ausgedehnt hat. MADMAX ist eine internationale Zusammenarbeit von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern verschiedener Forschungseinrichtungen.
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.
Axionen verraten sich durch Mikrowellen
MADMAX nutzt das 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 und entwickelt ein kleines elektrisches Feld. Könnten die Wissenschaftler*innen dieses elektrische Feld nachweisen, würden sie die Existenz von Axionen als Dunkler Materie bestätigen. Das ist jedoch nicht so einfach, wie es sich anhört, denn jedes Signal wäre selbst für die empfindlichsten Detektoren viel, viel zu schwach.
Die Forschenden folgen daher der Idee, das Signal zu verstärken, indem sie dem Axion viele sorgfältig platzierte dielektrische Scheiben in den Weg stellen. Dabei entstehen Mikrowellen. Diese Wellen lassen sich kombinieren, reflektieren und somit verstärken. Die MADMAX-Kollaboration hat in den letzten Monaten das Versuchsprinzip, den Detektor und den Magneten auf die Probe gestellt.
Test verschiedener Prototypen
Die MADMAX-Kollaboration hat auf dem 97. DESY Physics Review Committee (PRC) erste Ergebnisse vorgestellt. Seit der letzten Begutachtung hat das Team Experimente mit drei Prototypen durchgeführt, die sich durch ihre Komplexität und zunehmende Größe unterscheiden, und überzeugende Antworten auf alle wichtigen Fragen des Gutachterausschusses gegeben.
Die Forscherinnen und Forscher haben einen Prototyp mit drei Scheiben und einem Durchmesser von zehn Zentimetern in einem Kryostaten in einem 1,6-Telsa-Magneten am CERN eingesetzt. Damit konnten sie zeigen, dass sie in der Lage sind, Detektoren bei einer Temperatur von etwa -269 Grad Celsius zu kalibrieren und zu betreiben. Sie testeten zudem einen Prototyp mit drei Scheiben von 20 Zentimetern Durchmesser, bei dem sich der Scheibenabstand im Magneten einstellen lässt. Damit prüften sie, ob die Frequenz des Signals wie geplant abgestimmt werden kann.
Erste Physikergebnisse: Massebereich für Axionen ausgeschlossen
Darüber hinaus haben sie erste Daten von potenziellen Axion-ähnlichen Teilchen gesammelt, die derzeit ausgewertet werde. Schließlich setzten sie einen Prototyp mit drei Scheiben von 30 Zentimetern Durchmesser im SHELL- Experimentallabor (Shielded Experimental Laboratory) der Universität Hamburg ein und konnten bereits Dark-Photon-Grenzen im Massenbereich um 80 Mikroelektronenvolt setzen. Mit anderen Worten: Sie haben keine Axionen entdeckt, aber sie wissen jetzt, wo sie nicht mehr suchen müssen.
Die nächste Herausforderung für MADMAX besteht darin, einen 9-Tesla-Großdipolmagneten herstellen zu lassen, um die Fläche des Detektors und damit dessen Empfindlichkeit für den Axionnachweis zu erhöhen. Um diese Aufgabe zu erleichtern, hat die Max-Planck-Gesellschaft erhebliche Mittel für die Produktion und den Test eines Demonstrationsmagneten zur Verfügung gestellt.
Wenn die Mittel zur Verfügung stehen, wird der Magnet ab dem Jahr 2027 gebaut und getestet. Die MADMAX-Wissenschaftler*innen hoffen, dass sie im Jahr 2032 mit einem vollwertigen Experiment die ersten Daten aufnehmen können, die Laufzeit ist bis in das Jahr 2039 geplant.
(*) MADMAX: MAgnetized Disc and Mirror Axion eXperiment