10-m-Magnet folgt der Sonne, auf der Jagd nach einem Teilchen, das niemand je gesehen hat
BabyIAXO soll eines der großen Rätsel der Teilchenphysik untersuchen. Herzstück ist ein 10 m langer Magnet, der täglich der Sonne folgt.
Ein 10 m langer Supraleitermagnet (der gelbe Zylinder in der Grafik) soll am DESY nach Axionen aus der Sonne suchen. BabyIAXO arbeitet bei rund −269 °C und folgt der Sonnenbahn.
Foto: IAXO Collaboration
10 m lang, fast auf den absoluten Nullpunkt heruntergekühlt und beweglich genug, um der Sonne über den Himmel zu folgen: Am DESY in Hamburg entsteht mit BabyIAXO ein ungewöhnliches Experiment. Sein Herzstück ist ein supraleitender Magnet, der nach einem Teilchen suchen soll, das bislang nur in der Theorie existiert – dem Axion.
Die Finanzierung des Magnetsystems ist nun gesichert. Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) hat den Bau im Rahmen ihres Programms für Großgeräte genehmigt. Insgesamt sind dafür 6 Mio. € vorgesehen. Die DFG übernimmt 3 Mio. €, das Land Nordrhein-Westfalen 2,4 Mio. €. Weitere 600.000 € steuern die Universität Bonn, die Universität Siegen und die TU Dortmund bei.
BabyIAXO ist die Vorstufe des geplanten International Axion Observatory, kurz IAXO. Doch der kleinere Vorgänger ist weit mehr als ein Technikdemonstrator: Er soll bereits selbst nach Axionen suchen.
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Zwei 70-cm-Öffnungen zeigen direkt zur Sonne
Der Magnet ist für diese Aufgabe ungewöhnlich groß dimensioniert. Durch ihn verlaufen zwei jeweils rund 10 m lange Öffnungen mit einem Durchmesser von etwa 70 cm. Während einer Messung werden sie direkt auf die Sonne ausgerichtet.
Dazu muss sich das komplette System bewegen lassen. BabyIAXO soll der Sonne bis zu zwölf Stunden täglich folgen können. Der Magnet wird deshalb auf einer Konstruktion montiert, die sich sowohl drehen als auch neigen lässt.
Im Inneren erzeugen supraleitende Spulen ein Magnetfeld von ungefähr 2 T. Dafür fließen Ströme von rund 6 kA durch aluminiumstabilisierte Nb-Ti/Cu-Leiter.
Damit diese Leiter supraleitend werden, muss die sogenannte Kaltmasse auf etwa 4,5 K heruntergekühlt werden. Das entspricht rund −269 °C.
Gerade die Kombination macht das System technisch anspruchsvoll: Ein 10 m langer Kryomagnet muss über lange Zeit tiefgekühlt bleiben und gleichzeitig präzise der Sonnenbahn folgen.
Wie ein Axion im Magneten zum Röntgensignal werden könnte
Warum aber richtet man einen riesigen Magneten auf die Sonne?
Nach theoretischen Modellen könnten im heißen Inneren der Sonne Axionen entstehen. Weil sie nur extrem schwach mit gewöhnlicher Materie wechselwirken, können sie die Sonne nahezu ungehindert verlassen und auch die Erde erreichen.
BabyIAXO soll genau diese Teilchen abfangen. Durchquert ein Axion das starke Magnetfeld, kann es sich über den sogenannten inversen Primakoff-Effekt in ein Photon umwandeln. Dabei entsteht Röntgenstrahlung.
Die Wahrscheinlichkeit dafür ist äußerst gering. Deshalb braucht das Experiment eine möglichst große Magnetöffnung, ein starkes Magnetfeld und lange Beobachtungszeiten.
Röntgenoptiken bündeln mögliche Photonen anschließend auf kleine Detektorflächen. Das erhöht zwar nicht die Zahl der erzeugten Photonen, hilft aber dabei, das gesuchte Signal vom Hintergrundrauschen zu unterscheiden. Im Prinzip funktioniert BabyIAXO damit wie ein Teleskop für Teilchen, die sich normalerweise nicht beobachten lassen.
Warum Physiker überhaupt nach Axionen suchen
Das Axion wurde ursprünglich nicht erfunden, um Dunkle Materie zu erklären. Seine Geschichte beginnt mit einem anderen Problem der Teilchenphysik: Die Quantenchromodynamik beschreibt die starke Wechselwirkung, durch die Quarks unter anderem in Protonen und Neutronen gebunden werden. Ihre Gleichungen würden grundsätzlich eine Verletzung der sogenannten CP-Symmetrie erlauben.
Vereinfacht gesagt geht es dabei darum, ob sich die physikalischen Gesetze verändern, wenn Teilchen durch ihre Antiteilchen ersetzt und gleichzeitig räumlich gespiegelt werden.
Bei der schwachen Wechselwirkung ist eine Verletzung dieser Symmetrie experimentell bekannt. Bei der starken Wechselwirkung findet sich dagegen bislang kein entsprechender Effekt. Sichtbar werden müsste er beispielsweise in einem elektrischen Dipolmoment des Neutrons. Trotz sehr empfindlicher Experimente wurde ein solches bislang nicht nachgewiesen. Dass die CP-Verletzung der starken Wechselwirkung offenbar extrem klein ist, wird als starkes CP-Problem bezeichnet.
Ein Teilchen als Lösung für ein altes Rätsel
1977 entwickelten Roberto Peccei und Helen Quinn einen Mechanismus, mit dem sich dieses Problem erklären lässt. Daraus folgte kurz darauf die Vorhersage eines bislang unbekannten, sehr leichten Teilchens: des Axions.
Sollte BabyIAXO tatsächlich Axionen nachweisen, wäre das eine fundamentale Entdeckung. Sie würde nicht nur ein neues Elementarteilchen bestätigen, sondern zugleich den Peccei-Quinn-Mechanismus zur Lösung des starken CP-Problems erheblich stützen.
Hinzu kommt eine zweite interessante Eigenschaft: Axionen gelten heute als mögliche Kandidaten für Dunkle Materie. Diese macht nach kosmologischen Modellen einen großen Teil der Materie im Universum aus, wurde direkt aber bislang nicht nachgewiesen. Bekannt ist sie vor allem über ihre gravitative Wirkung auf Galaxien und andere kosmische Strukturen.
Ein Nachweis solarer Axionen durch BabyIAXO würde allerdings noch nicht beweisen, dass die Dunkle Materie tatsächlich aus Axionen besteht. Dafür müsste zusätzlich gezeigt werden, dass im Universum genügend entsprechende Axionen vorhanden sind.
BabyIAXO bereitet größeres Observatorium vor
BabyIAXO soll zugleich wichtige Technologien für das spätere International Axion Observatory erproben.
Für IAXO ist ein rund 20 m langer supraleitender Magnet vorgesehen. Im derzeitigen Konzept besitzt er acht große Öffnungen, die jeweils mit Röntgenoptiken und empfindlichen Detektoren ausgestattet werden können. Damit soll IAXO einen noch größeren Bereich möglicher Axion-Eigenschaften untersuchen können.
BabyIAXO liefert dafür den technischen Zwischenschritt. Erprobt werden müssen unter anderem der supraleitende Magnet, das Kryosystem, die mechanische Sonnen-Nachführung, die Röntgenoptiken und besonders rauscharme Detektoren.
An dem internationalen Projekt sind rund 20 Universitäten und Forschungseinrichtungen beteiligt. Das Magnetsystem für BabyIAXO entsteht am DESY in Hamburg. Nach dem aktuellen Zeitplan der IAXO-Kollaboration könnten erste Messungen ab 2029 beginnen.
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