CAST-Projekt setzt Dunkler Materie neue Grenzen

Axionen sind Teilchen, deren hypothetische Existenz 1977 von Roberto Peccei und Helen Quinn eingeführt worden ist. Neuerdings sind die Teilchen in aller Munde, weil ihre Existenz einen Großteil der so genannten Dunklen Materie erklären könnte. Um eine sichere Aussage darüber zu machen, messen Forschende die Wechselwirkung von Axionen und Photonen. Ein Team von internationalen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern des Projekts CERN Axion Solar Telescope (CAST) am europäischen Forschungszentrum CERN in Genf/Schweiz, darunter Prof. Dr. Horst Fischer vom Physikalischen Institut der Universität Freiburg, hat nun die bislang engsten Grenzen bezüglich der Wahrscheinlichkeit aufgestellt, dass sich Axionen in Photonen umwandeln. Ihre Ergebnisse präsentieren sie in der aktuellen Ausgabe der Zeitschrift „Nature Physics".

Seit 2003 richtet die Projektgruppe morgens und abends für jeweils 90 Minuten ihr Teleskop auf die Sonne, um damit nach Axionen zu suchen. Das Teleskop ist mit einem Magneten ausgestattet, den Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter des CERN ursprünglich für den Large Hadron Collider gebaut haben. Theoretischen Überlegungen zufolge ist die Sonne einer der Orte, an der sich Axionen bilden. Werden diese von dem Teleskop eingefangen, soll das Magnetfeld sie in Photonen umwandeln. Diese könnten die Forschenden mit hochempfindlichen und extrem rauscharmen Sensoren messen.

Erst wenn sich feststellen lässt, dass sich Axionen in Photonen umwandeln, können Forschende den Anteil der Teilchen an der Dunklen Materie bestimmen. In der veröffentlichten Arbeit, die auf Daten aus den Jahren 2012 bis 2015 basiert, findet das Team keinen Beweis für solare Axionen. Auf dieser Grundlage hat es die bisher engsten Grenzen bezüglich der Stärke der Wechselwirkung zwischen Axionen und Photonen aufgestellt. Das Ergebnis hat auch unmittelbare Konsequenzen für das tiefere Verständnis verschiedener astrophysikalischer Anomalien wie zum Beispiel der Ausbreitung von kurzwelliger Gammastrahlung im Universum oder der effizienten Wärmeabfuhr in Sternen. Derzeit wird das Experiment umgebaut, um zukünftig Überreste von Axionen aus den Zeiten des Urknalls sowie Teilchen der Dunklen Energie nachzuweisen.

Originalpublikation:
New CAST limit on the axion–photon interaction, CAST Collaboration, doi:10.1038/nphys4109

Video zum CERN Axion Solar Telescope (CAST)

Kontakt:
Prof. Dr. Horst Fischer
Physikalisches Institut
Albert-Ludwigs-Universität Freiburg
Tel.: 0761/203-5813
E-Mail: horst.fischer@cern.ch