Entwicklung eines Prototypen für ein dielektrisches Axion-Haloskop

• Antragstellerin: Professorin Dr. Erika Garutti
• Fachliche Zuordnung: Kern- und Elementarteilchenphysik, Quantenmechanik, Relativitätstheorie, Felder
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 545526387

Das Axion ist ein möglicher und naheliegender Kandidat für Cold Dark Matter. Der durch Theorien favorsierte Massenbereich für die Entdeckung des Axions liegt bei ungefähr 100 µeV, und kann mit einem dielektrischen Haloskop untersucht werden. Das MAgentized Disk and Mirror Axion eXperiment (MADMAX) ist eins der ersten auf diesem Prinzip basierten Haloskope und nutzt die Umwandlung von Axionen zu Photonen an dielektrischen Grenzflächen in einem starken Magnetfeld. Durch die Kombination von vielen Grenzflächen kann die Konversionswahrscheinlichkeit durch Interferenz- und Resonanzeffekte signifikant verstärkt (geboosted) werden. MADMAX wird dabei ein Booster-System mit bis zu 80 dielektrischen Scheiben von mehr als einem Meter Durchmesser nutzen. Die Scheiben können dabei präzise bei kryogenen Temperaturen und einem Magnetfeld von 9 T positioniert werden. Das Magnetfeld wird dabei von einem supraleitenden Magneten mit großer, warmer Öffnung erzeugt.Auf dem Weg zur Realisierung dieses anspruchsvollen Experiments verfolgt die MADMAX-Kollaboration einen stufenbasierten Ansatz bei dem schrittweise mit verschiedenen Prototypen die unterschiedlichen Aspekte des Konzepts eines dielektrischen Haloskops bzw. Boosters verifizziert werden. In diesem Projekt wollen wir HALOX, ein Prototyp des dielektrischen Haloskops mit drei Scheiben von 300 mm Durchmesser, bei einer Temperatur von 4 K und in einem 1,6 T Magnetfeld in Betrieb nehmen und, ultimativ, mit diesem eine Axion-Suche mit verbesserter Sensivität durchführen. Dieser verkleinerte Prototyp ist ein wichtiger und notwendiger Schritt um die technische Umsetzbarkeit des Projekts zu demonstrieren. Zusätzlich, planen wir HALOX nach der ersten Axion-Suche von drei auf sechs Scheiben aufzurüsten, und von Saphir auf Lanthanaluminat als Material der Scheiben zu wechseln, um die Sensitivität weiter zu erhöhen. Die Kompetenzen und Fähigkeiten der Gruppen am Centre de Physique des Particules de Marseille (CPPM) in Frankreich und an der Universität Hamburg sowie am DESY in Deutschland sind dabei komplementär und synergetisch für die Realisierung von HALOX. Über das Projekt wird die Kollaboration zwischen den Instituten gestärkt und durch konkrete Maßnahmen unterstützt: dedizierte Stellen für die institutsübergreifende Zusammenarbeit, Reisemittel für die Unterstüztung längerer Austausche, Mittel für die Entwicklung von innovativen Technologien innerhalb des deutsch-französischen Konsortiums sowie Unterstützung für die Axion-Suche mit HALOX am CERN. Der Finanzierungsantrag für dieses Projekt läuft über drei Jahre und umfasst die Inbetriebnahme und die Tests des Prototypen (2025), seine Nutzung zur Erzielung von erfolgreichen Physik-Messungen (2026) sowie das Upgrade des Prototypen (2027).

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich
• Partnerorganisation: Agence Nationale de la Recherche / The French National Research Agency
• Kooperationspartner: Fabrice Hubaut, Ph.D.