Suche nach Axionen und Dunkler Materie mit Dielektrischen Haloskopen: Datennahme und erste Physik Resultate auf dem Weg zum zukünftigen MADMAX Experiment

• Antragsteller: Professor Dr. Alexander Schmidt
• Fachliche Zuordnung: Kern- und Elementarteilchenphysik, Quantenmechanik, Relativitätstheorie, Felder ; Astrophysik und Astronomie
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 550641633

Das Fehlen der CP-Verletzung in der starken Wechselwirkung und die Frage nach der Natur der Dunklen Materie gehören zu den wichtigsten ungelösten Rätseln der modernen Physik. Beide Fragen könnten durch die Axion-Lösung beantwortet werden, die in den 1970er Jahren von Roberto Peccei, Helen Quinn und Frank Wilczek vorgeschlagen wurde. Das experimentelle Konzept der Axion-Haloskope wurde von Pierre Sikivie als vielversprechendster Kandidat für die Suche nach axionischer Dunkler Materie im relevanten Massenbereich vorgeschlagen. Axion-Haloskope suchen im galaktischen Halo nach Dunkler Materie. Das einzige Experiment, das einen relevanten Parameterraum der axionischen Dunklen Materie untersuchen konnte, ist das ADMX-Experiment. Allerdings ist ADMX auf einen sehr engen Massenbereich beschränkt. Um die Einschränkungen von ADMX zu überwinden, wurde das Konzept dielektrischer Haloskope vorgeschlagen. Die MADMAX-Kollaboration plant, erstmals ein dielektrisches Haloskop zu implementieren und zu betreiben. Das MADMAX-Experiment wird aus mehreren (bis zu 80) dünnen dielektrischen Scheiben mit einer Dicke von jeweils wenigen Millimetern bestehen, die jeweils eine Fläche von etwa 1 Quadratmeter abdecken. Die Scheiben werden sich in einem starken (10 Tesla) magnetischen Dipolfeld befinden. Das Feld verläuft parallel zu den Oberflächen der Scheiben, wo die Wechselwirkung des Axion-Feldes mit dem Magnetfeld stattfindet, was zur Emission von Mikrowellenstrahlung senkrecht zu den Scheibenoberflächen führt. Durch die Überlagerung der Emissionen aus mehreren Ebenen kann sowohl eine konstruktive Interferenz als auch eine Resonanzverstärkung erreicht werden, was zu einer Verstärkung des Axion-Signals führt. Die Frequenz des Verstärkungsbereiches hängt von den Abständen zwischen den Scheiben ab. Die Scheibenpositionen sind mithilfe eines Präzisionsmechaniksystems nach Wunsch einstellbar. Durch kontinuierliche Anpassung der Scheibenpositionen kann ein großer Frequenzbereich abgetastet werden. Im vorgeschlagenen Projekt sollen die ersten Suchen nach Axion-ähnlichen Teilchen (ALPs) der Dunklen Materie mit Prototypen für dielektrische Haloskope durchgeführt werden. Ziel ist es, die weltweit besten Grenzwerte im Axion (ALP)-Parameterraum in der Region mit einer Axion-Masse um 100 Mikroelektronenvolt zu erreichen. Um dieses Ziel zu erreichen, werden in diesem Projekt zwei Hauptkomponenten der Prototypen entwickelt: das Empfänger-/Datenerfassungssystem und die Plattenpositionierungsstrategie. Die entwickelten Komponenten werden in die MADMAX-Prototypen integriert und es werden mehrmonatige Datenerfassungskampagnen durchgeführt, gefolgt von der Datenanalyse und Veröffentlichung. Wir gehen davon aus, die weltweit besten Grenzwerte für axionische Dunkle Materie im angegebenen Massenbereich zu erreichen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen