XFEL: Axionen auf der Spur

Forschende des European XFEL haben gemeinsam mit Kolleginnen und Kollegen des britischen Science and Technology Facilities Council (STFC), der Universität Oxford und anderen Forschungseinrichtungen nach einem hypothetischen Teilchen gesucht, das möglicherweise die dunkle Materie des Universums erklären könnte. Das Experiment wird in einer in Physical Review Letters veröffentlichten Studie beschrieben.

Zusammen mit dem HIBEF-Nutzerkonsortium suchten die Forschenden an der High-Energy-Density-Experimentierstation HED nach sogenannten Axionen. Das sind winzige und unglaublich leichte, hypothetische Teilchen. Sie sollen beispielsweise erklären, warum Neutronen, aus denen Atomkerne neben Protonen bestehen, kein elektrisches Dipolmoment besitzen, obwohl die Kernbausteine aus noch kleineren geladenen Teilchen, den sogenannten Quarks, bestehen. Sollte dieser Prozess beobachtet werden, wäre dies zudem ein Hinweis für eine neue Physik jenseits des Standardmodells. Darüber hinaus sind Axionen ein natürlicher Kandidat für die dunkle Materie, die geheimnisvolle Substanz, die den größten Teil der Masse des Universums ausmacht.

Die Forschenden nutzten für ihre Experimente den größten und leistungsstärksten Röntgenlaser der Welt: den European XFEL in Schenefeld bei Hamburg. Den intensiven Röntgenstrahl leiteten sie durch dünne Platten aus Germaniumkristallen. Die weisen im Inneren ein starkes elektrisches Feld auf. Für sich bewegende Teilchen erscheint das wie ein extrem starkes Magnetfeld von rund 1000 Tesla. Das ermöglicht es den Photonen, sich in Axionen umzuwandeln und wieder zurück.

Eine zwischen den Kristallen eingefügte Titanfolie wirkt dabei als Barriere für die Photonen und ließe nur die gesuchten Axionen durch. Diese werden dann aufgespürt, wenn sie sich im Kristall auf der anderen Seite wieder in Photonen umwandeln.

In dieser Machbarkeitsstudie haben die Forschenden gezeigt, dass ihr Aufbau in der Empfindlichkeit für Axionen mit Experimenten mit Teilchenbeschleunigern konkurrieren kann. Sie ebnen damit den Weg für Experimente, bei denen sich Axionen im Massenbereich von Milli- bis Kiloelektronenvolt messen ließen. Ihr Ziel ist es, die Empfindlichkeit noch um einen Faktor von mehreren Hundert zu verbessern, um Axionen nachweisen zu können, die von der Theorie der Quantenchromodynamik vorhergesagt werden.

 

Zum Beitrag "Bounds on Heavy Axions with an X-Ray Free Electron Laser" in Physical Review Letters.