Axionforschung: CAST-Experiment mit neuem Rekord bei Messgenauigkeit

Neue Teilchen braucht das Universum: Viele Phänomene lassen sich mit den heute bekannten Elementarteilchen nur unzureichend erklären. Eines dieser neuen, hypothetischen Teilchen ist das Axion. Seit 2003 fahndet das CAST-Experiment am CERN, zu dem Forscher des Max-Planck Instituts für Physik (MPP) und des Max-Planck-Instituts für Sonnensystemforschung (MPS) beitragen, nach Axionen aus der Sonne. Zwar hat CAST keine Axionen entdeckt, doch mit der letzten Messphase vielversprechende Ergebnisse geliefert. Wie das Fachjournal Nature Physics jetzt berichtet, hat CAST seine Messgenauigkeit deutlich verbessert – und weist damit den Weg für die nächste Generation empfindlicherer Experimente.

Auch wenn CAST keine Axionen aus der Sonne entdeckt hat, gibt es Erkenntnisse, von denen die nächste Detektorgeneration profitieren wird. „Die abschließende Messphase von CAST erwies sich als  besonders fruchtbar", sagt Georg Raffelt, Astroteilchenphysiker am Max-Planck-Institut für Physik (MPP). „Im Vergleich zur ersten Messzeit konnte das CAST-Experiment seine Empfindlichkeit um das Dreifache zu erhöhen."

Konkret bedeutet dies, dass Wissenschaftler den Energiebereich, in dem nach Axionen geforscht wird, genauer eingrenzen können. Denn für die letzte Messkampagne von 2013 bis 2015 kamen Detektoren mit nur geringem Rauschen sowie ein neues Röntgenteleskop zum Einsatz – Technologien, die jetzt den Standard für Folgeexperimente setzen.

Axionen sind schwer zu fassende Teilchen, auch deswegen, weil man ihre Masse nicht kennt. „Gegenwärtige Theorien verorten das Axion in einem Energiebereich zwischen 40 bis 400 Mikroelektronenvolt – damit ist es etwa 10 Milliarden mal leichter als das Elektron", erklärt Raffelt. Theoretischen Modellen zufolge sollten Axionen überall im Weltall auftreten, allerdings gelten stellare Plasmen als besonders effiziente Quellen. „Unter diesen ist die Sonne wegen ihrer großen Nähe zur Erde ein besonders aussichtsreiches Beobachtungsobjekt“, so Prof. Dr. Sami K. Solanki, Direktor am MPS. Forscher gehen davon aus, dass die Axione im Kern unseres Stern entstehen. Die elektrischen Felder des Sonnenplasmas wandeln dort Licht in Axione um.

Doch wie lassen sich Axionen nachweisen? „Dafür sorgt eine besondere Eigenschaft der Axionen", erklärt Raffelt. „In einem starken Magnetfeldes wandeln sich Axionen in elektromagnetische Wellen, also Licht um – und umgekehrt." Die Lichtteilchen lassen sich mit entsprechenden Nachweisgeräten auffangen und sichtbar machen. Die solaren Axionen hätten entsprechend der hohen Temperatur im Sonneninneren eine Energie im Röntgenbereich.