Ein zehn Meter langer Magnet soll künftig der Sonne folgen und dabei nach einem Teilchen suchen, das noch nie direkt nachgewiesen wurde. Für den Bau des Magnetsystems von BabyIAXO stehen sechs Millionen Euro zur Verfügung. Die Deutsche Forschungsgemeinschaft hat die Förderung des Großgeräts bewilligt, das am Deutschen Elektronen-Synchrotron DESY in Hamburg entstehen soll. Koordiniert wird der Forschungsantrag von Prof. Dr. Matthias Schott von der Universität Bonn, Associated Principal Investigator am Lamarr-Institut.
Was ein Axionfund erklären könnte
Der Nachweis eines Axions würde zeigen, dass das Standardmodell der Teilchenphysik unvollständig ist, und ein neues Elementarteilchen jenseits dieses Modells bestätigen. Handelt es sich um das theoretisch vorhergesagte QCD-Axion, könnte der Fund zugleich einen jahrzehntealten Widerspruch auflösen: Die Gleichungen der starken Wechselwirkung lassen Unterschiede zwischen Materie und Antimaterie zu, die in Experimenten bislang nicht beobachtet wurden. Das Axion könnte erklären, warum die theoretisch mögliche CP-Verletzung in der starken Wechselwirkung ausbleibt, und damit das starke CP-Problem lösen.
Axionen könnten außerdem einen Teil oder sogar die gesamte Dunkle Materie bilden. BabyIAXO sucht allerdings nicht direkt nach Dunkler Materie, sondern nach Axionen, die im Inneren der Sonne entstehen könnten. Ein Fund wäre daher noch kein Beweis für die Zusammensetzung der Dunklen Materie. Die gemessene Masse und Wechselwirkungsstärke würden aber zeigen, ob das entdeckte Teilchen als deren möglicher Baustein infrage kommt. Zugleich könnten die Messungen Aufschluss darüber geben, wie Axionen im Sonneninneren entstehen und mit bekannten Teilchen wechselwirken.
Wie der Magnet Unsichtbares messbar machen soll
Die Eigenschaften, die das Axion wissenschaftlich interessant machen, erschweren zugleich seinen Nachweis. Weil es Materie nahezu ungehindert durchdringen soll, braucht es ein starkes Magnetfeld und hochempfindliche Instrumente, um überhaupt eine messbare Spur zu erzeugen. BabyIAXO richtet den Magneten bis zu zwölf Stunden täglich auf die Sonne, in deren Innerem Axionen entstehen könnten. Im Magnetfeld sollen sich einzelne Axionen in Lichtteilchen umwandeln, die anschließend von Teleskopen und Detektoren erfasst werden können. Dafür wird der supraleitende Magnet auf etwa minus 270 Grad Celsius gekühlt. „Das ist der größte Dipolmagnet, der jemals für die Teilchenphysik gebaut wurde“, sagt Schott. BabyIAXO dient zugleich als technologische Vorstufe für das geplante International Axion Observatory IAXO, dessen Magnet mit 20 Metern doppelt so lang werden soll.
Die Axionensuche ist Teil des Forschungsprogramms von Color Meets Flavor. Der Exzellenzcluster der Universitäten Bonn, Dortmund und Siegen sowie des Forschungszentrums Jülich untersucht das Zusammenspiel der starken und schwachen Wechselwirkung und sucht nach bislang unbekannten Teilchen und Kräften. Schotts Forschung verbindet diese experimentelle Teilchenphysik mit moderner Datenanalyse und Maschinellem Lernen. Als Associated Principal Investigator am Lamarr-Institut arbeitet Schott an der Schnittstelle von experimenteller Teilchenphysik, moderner Datenanalyse und Maschinellem Lernen. Seine Gruppe entwickelt Verfahren, die seltene Signaturen in großen Datenmengen erkennen und die Empfindlichkeit physikalischer Experimente steigern. Von den sechs Millionen Euro für das Magnetsystem übernimmt die DFG drei Millionen, das Land Nordrhein-Westfalen 2,4 Millionen und die beteiligten Universitäten insgesamt 600.000 Euro.