Alps II: In Hamburg wird nach dunkler Materie gesucht

An der Forschungseinrichtung Desy ist ein neuer Detektor in Betrieb genommen worden. Damit wollen Wissenschaftler Dunkle-Materie-Teilchen erzeugen.

Artikel veröffentlicht am 23. Mai 2023, 14:51 Uhr, Werner Pluta

Experiment Alps II des Desy: so wahrscheinlich wie ein Pasch mit 33 Würfeln (Bild: Marta Mayer, Desy)

Sie soll den weitaus größeren Teil des Universums ausmachen, doch gesehen hat sie bisher noch niemand. Das will das ein Forschungszentrum in Hamburg ändern: Dort wird am heutigen Dienstag ein Experiment in Betrieb genommen, das erstmals dunkle Materie erfassen soll.

Any Light Particle Search II (Alps II) heißt das Experiment am Deutsches Elektronen-Synchrotron (Desy). Zu dem Forschungszentrum in Hamburg gehört auch der Röntgenlaser European Xfel. Ziel von Alps II ist, Dunkle-Materie-Teilchen, sogenannte Axionen, zu erzeugen.

Der rund 250 Meter lange Detektor wurde in einem geraden Tunnelabschnitt des 2007 stillgelegten Teilchenbeschleunigers Hadron-Elektron-Ring-Anlage (Hera) eingerichtet. 24 supraleitende Magneten von Hera wurden für Alps II wiederverwendet. Sie wurden gleichmäßig an zwei jeweils 120 Meter langen Vakuumröhren aufgestellt.

Photonen sollen zu Axionen werden

Im ersten Vakuumrohr wird hochintensives Laserlicht in einem sogenannten optischen Resonator hin und her reflektiert und dadurch verstärkt. Unter dem Einfluss des Magnetfeldes der 12 supraleitenden Magnete sollen sich einige Photonen des Lasers in Axionen verwandeln.

Am Ende der Vakuumröhre befindet sich eine lichtdichte Wand und dahinter eine weitere Vakuumröhre mit einer Magnetstrecke mit einem optischen Resonator. Da Axionen oder axionartige Teilchen nur extrem schwach mit bekannter Materie reagieren, würde die Wand sie nicht aufhalten, sie würden durch sie hindurchfliegen, in die zweite Magnetstrecke.

Darin sollen sich die Axionen wieder in Photonen zurückverwandeln. Erfasst ein Detektor am Ende der Strecke also Photonen, müssten diese zwischenzeitlich Axionen gewesen sein. "Die Wahrscheinlichkeit, dass sich ein Photon in ein Axion und wieder zurückverwandelt, ist allerdings trotz all unserer Techniktricks sehr klein – vergleichbar damit, dass man gleichzeitig mit 33 Würfeln einen Pasch wirft", sagte Axel Lindner, Projektleiter und Sprecher der Alps-Kollaboration.

Vor 90 Jahren fand der Schweizer Astronom Fritz Zwicky bei der Beobachtung des Coma-Galaxienhaufens erste Hinweise auf die dunkle Materie. Erfassen oder nachweisen lassen hat sich diese aber noch nicht. Dabei ist sie weit häufiger im Universum vertreten als die bekannte sichtbare Materie. Diese macht nur etwa 5 Prozent des Universums aus, die dunkle Materie hingegen etwa 27 Prozent. Der Rest, etwa 68 Prozent, ist die sogenannte dunkle Energie.

Alps II wird laut Desy erst in der zweiten Jahreshälfte mit der vollen Sensitivität betrieben. Im kommenden Jahr soll das Spiegelsystem, das den Laser reflektiert, verbessert werden. Mit ersten Veröffentlichungen aus der Forschungsanlage rechnet das Desy im kommenden Jahr. "Selbst wenn wir mit Alps keine leichten Teilchen finden sollten, werden wir mit dem Experiment die Ausschlussgrenzen für superleichte Teilchen um den Faktor 1.000 verschieben", sagte Lindner.

Sollten am Alps tatsächlich Axionen nachgewiesen werden, könnte das durchaus einen Nobelpreis bedeuten.