Supraleitender Magnet mit warmer Bohrung für die Suche nach Axionen und axionartiger Teilchen

• Fachliche Zuordnung: Astrophysik und Astronomie
• Förderung: Förderung in 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 415898535

Das Standardmodell der Teilchenphysik ist eine grundlegende Theorie, die die bekannten Elementarteilchen/-felder und deren Wechselwirkungen mit grosser Präzision beschreibt. Das Standardmodell ist durch ebenfalls sehr präzise Messungen umfangreich bestätigt. Es liefert jedoch keine Erklärung für die „dunkle Materie“ und die im Rahmen des Standardmodells vorhergesagte Vakuumenergiedichte ist spektakulär überschätzt im Vergleich zur beobachteten dunklen Energie. Dabei sind überraschenderweise die dunkle Materie und die dunkle Energie die Hauptbestandteile des Energiebudgets des Universums. Die laufenden Bemühungen, neue Teilchen an Beschleunigern zu erzeugen oder nach schwach wechselwirkenden massiven Teilchen (WIMPs) in seltenen Streuprozessen zu suchen, sind bislang nicht erfolgreich gewesen. Die Experimente haben jedoch ausreichend Sensitivität erreicht, um die theoretisch bevorzugten Erweiterungen des Standardmodells nachzuweisen. Andererseits sind aus der Gamma-Spektroskopie von Teilchenbeschleunigern in kosmologischen Abständen Hinweise auf die Existenz eines neuen und leichten (Masse im neV-Bereich) Pseudoskalarteilchens (WISP) gefunden worden. Diese Teilchen mischen mit Photonen (ähnlich wie bei der Neutrinooszillation unterschiedliche Sorten ineinander oszillieren) und lässt sich nicht mit den bisherigen Experimenten nachweisen. In diesem Antrag schlagen wir vor, einen supraleitenden Magneten für die Universität Hamburg anzuschaffen, mit dem wir drei WISP-Experimente aufbauen können. Das erste der drei Experimente (WISPFI) hat das Potenzial, das aus astrophysikalischen Beobachtungen indizierte Teilchen erstmals im Labor nachzuweisen. Die experimentelle Idee ist hierbei, ein Lichtleiter-basiertes Interferometer in der Magnetbohrung zu installieren, um dann die Oszillationen im externen Magnetfeld als Interferenzerscheinung nachzuweisen (oder Ausschlussgrenzen zu ermitteln). Das zweite Experiment (WISPLC) kann dann gezielt den Massenbereich bei einigen neV nach dunkler Materie untersuchen – hierzu wird ein LC-Schwingkreis im Magnetfeld verwendet. Das dritte Experiment wird aus einem Hohlresonator bestehen, mit dem wir dann in einem theoretisch favorisierten Massenbereich bei einigen 10 μeV nach dunkler Materie suchen können.

• DFG-Verfahren: Forschungsgroßgeräte
• Großgeräte: Supraleitender Magnet mit warmer Bohrung für die Suche nach Axionen und axionartiger Teilchen
• Gerätegruppe: 0120 Supraleitende Labormagnete
• Antragstellende Institution: Universität Hamburg
• Leiter: Professor Dr. Dieter Horns