BabyIAXO: DESY jagt dunkle Materie in der Sonne

Wenn das Axion existiert, verlässt es die Sonne schneller als Licht. Photonen brauchen rund 100.000 Jahre, um den Sonnenkern zu verlassen. Axionen entkommen in Sekunden, weil sie kaum wechselwirken und erreichen die Erde danach wie Licht in etwa acht Minuten. In Hamburg startet jetzt das Experiment, das dieses hypothetische Teilchen erstmals direkt nachweisen soll: BabyIAXO am Deutschen Elektronen-Synchrotron (DESY), mit einem supraleitenden Zehn-Meter-Magneten, der täglich der Sonne folgt und den größten ungeklärten Befund der Physik aufklären könnte.

Das Rätsel hinter dem Experiment

Rund 27 Prozent des Universums bestehen aus dunkler Materie. Das zeigen Beobachtungen von Galaxienrotation, kosmischen Gravitationslinsen und der Hintergrundstrahlung. Diese Materie macht sich gravitativ bemerkbar, strahlt kein Licht ab und ist mit keinem bekannten Teilchen identifizierbar. Jahrzehnte lang galten WIMPs, schwach wechselwirkende massive Teilchen, als wahrscheinlichster Kandidat. Mehrere Experimente haben den vorhergesagten Parameterraum fast vollständig abgesucht und nichts gefunden.

Axionen sind der vielversprechendste verbliebene Kandidat. Roberto Peccei und Helen Quinn schlugen das Teilchen 1977 nicht als Lösung für das Dunkle-Materie-Problem vor, sondern für ein anderes: das starke CP-Problem. Die starke Kernkraft, beschrieben durch die Quantenchromodynamik, sollte nach theoretischen Ableitungen die CP-Symmetrie verletzen, also sich von ihrem Spiegelbild unterscheiden. Sie tut es nachweislich nicht. Der Peccei-Quinn-Mechanismus fügt der Theorie eine neue Symmetrie hinzu und erklärt das Ausbleiben der Verletzung. Als Nebenprodukt entsteht ein extrem leichtes, elektrisch neutrales Teilchen: das Axion. Dass es auch als Kandidat für kalte dunkle Materie taugt, war ein späterer, glücklicher Befund der Kosmologie.

Das Helioskop-Prinzip

Im Kern der Sonne herrschen Temperaturen von rund 15 Millionen Grad Celsius. Nach theoretischen Vorhersagen entstehen dort Axionen durch den Primakoff-Prozess: Thermische Photonen wechselwirken mit dem starken elektrischen Feld der Sonnenplasmakerne und wandeln sich partiell in Axionen um. Da Axionen extrem schwach wechselwirken, verlassen sie die Sonne ungehindert und strömen in alle Richtungen des Sonnensystems.

Ein Axion-Helioskop kehrt diesen Prozess um. Der Experimentalmagnet stellt ein starkes Magnetfeld bereit. Axionen, die durch seine Bohrung strömen, können sich über den inversen Primakoff-Effekt in Röntgenphotonen umwandeln. Diese Photonen werden von einem nachgeschalteten X-Ray-Teleskop auf eine winzige Fläche fokussiert und von hochempfindlichen Detektoren gezählt. Schlägt kein Detektor an, wurden keine Axionen gefunden, aber die Grenzen für ihre mögliche Kopplung enger gezogen. Schlägt er an, ist das ein Fund.

Das CAST-Experiment (CERN Axion Solar Telescope) hat dieses Prinzip von 2003 bis 2021 am CERN erprobt. Es nutzte einen umgewidmeten LHC-Dipolmagneten, zehn Meter lang, neun Tesla Feldstärke, der täglich die Sonne für je rund 90 Minuten beim Auf- und Untergang verfolgte. CAST fand keine Axionen, setzte aber neue Grenzen: Die Kopplungsstärke von Axionen an Photonen muss unterhalb eines präzise definierten Schwellenwerts liegen.

BabyIAXO: Hamburg übernimmt

BabyIAXO ist das Nachfolgeprojekt zu CAST und zugleich Prototyp für das Internationale Axionen-Observatorium (IAXO). Sein Standort ist die HERA South Hall am DESY Hamburg, wo früher der Elektronen-Protonen-Speicherring HERA betrieben wurde.

Herzstück ist ein supraleitender toroidaler Magnet aus aluminiumstabilisierten Nb-Ti/Cu-Rutherford-Kabeln. Er ist zehn Meter lang und schafft ein Magnetfeld von rund zwei Tesla. Zwei Bohrungen mit je 70 Zentimeter Durchmesser führen durch das System. In jeder Bohrung sitzt eine vollständige Detektionslinie aus X-Ray-Optik und Detektor. BabyIAXO misst damit zwei unabhängige Signalkanäle gleichzeitig, was CAST nicht konnte. Wie sein Vorgänger dreht sich die Anlage täglich mit der Sonne mit.

Die Inbetriebnahme des Magneten ist für 2026 geplant. Erste wissenschaftliche Daten werden nach aktuellem Zeitplan frühestens 2029 erwartet, wenn alle Detektorlinien installiert und kalibriert sind. An der internationalen Kollaboration sind Gruppen vom CERN, aus Spanien, Frankreich und Deutschland beteiligt. Aus Deutschland wirken das Max-Planck-Institut für Physik in München und das Physikalische Institut der Universität Bonn mit. Das DESY stellt Infrastruktur und Experimentierhalle bereit.

2029: Erster Datenlauf oder stärkstes Argument für IAXO

BabyIAXO ist ausdrücklich als Doppelexperiment angelegt: einerseits vollwertiges Helioskop mit eigenem Entdeckungspotenzial, andererseits Teststand für das spätere IAXO. Dieses würde einen 20 Meter langen Magneten mit acht Detektionslinien umfassen und wäre schätzungsweise 10.000-mal empfindlicher als CAST. Der Standort von IAXO ist noch offen.

Wenn BabyIAXO Axionen findet, sind zwei der hartnäckigsten offenen Fragen der Grundlagenphysik auf einen Schlag beantwortet: die Natur dunkler Materie und das starke CP-Problem. Das wäre der bedeutendste Befund der Teilchenphysik seit der Entdeckung des Higgs-Bosons 2012. Wenn BabyIAXO nichts findet, ist das kein Misserfolg, sondern das stärkste Argument für IAXO. Die Grenzen werden enger, der verbleibende Suchraum kleiner und irgendwo darin, so die Theorie, muss das Axion stecken.

Dunkle Materie ist keine Spekulation. Ihre gravitationale Wirkung ist an Hunderten von Galaxien gemessen. Was fehlt, ist ein Teilchen. In der HERA South Hall in Hamburg könnte es erstmals ein Signal hinterlassen.