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Einsatz des ultrasensitiven BASE-Detektors zur Suche nach axionartiger Dunkler Materie
Ab den 1960er Jahren lieferten Analysen der Dynamik von Galaxien starke Hinweise darauf, dass es neben der uns bekannten sichtbaren "baryonischen" Materie etwa fünfmal soviel sogenannte "Dunkle Materie" im Universum geben könnte. Die mikroskopischen Eigenschaften dieser Dunklen Materie sind jedoch bis heute unbekannt. Axionen der Quantenchromodynamik (QCD) und neue axionartige Teilchen (axion-like particles, ALPs), die von Erweiterungen des Standardmodells vorhergesagt werden, sind hervorragende Kandidaten für Dunkle Materie, da sie im frühen Universum erzeugt werden würden und einen Halo aus kalter Dunkler Materie bilden, der konsistent mit astrophysikalischen Beobachtungen ist.
Axionen und ALPs koppeln an zwei Photonen und können sich folglich bei Anwesenheit eines starken äußeren magnetischen
(oder elektrischen) Feldes in Photonen umwandeln. Diese Umwandlung ist die Grundlage für die experimentelle Suche nach Axionen
und ALPs. Die Suche wird mit Haloskop-Experimenten (nach Axionen und ALPs im galaktischen Halo), mit Helioskop-Experimenten
(nach solaren Axionen und ALPs) und mit reinen Laborexperimenten durchgeführt. Einige Laborexperimente und astrophysikalische
Beobachtungen konnten bereits Schranken für mögliche ALP-Massen und -Kopplungsstärken im Bereich von neV/c2 setzen.
Neben eigens für den Axion-Nachweis entworfenen Geräten, können auch umfunktionierte hochsensitive supraleitende
Einzelteilchen-Detektoren, die Teil von kryogenen Penningfallen-Experimenten sind, zum Nachweis von Axionen und ALPs eingesetzt
werden.
In einem kürzlich in "Physical Review Letters" veröffentlichten Artikel, präsentieren J. A. Devlin et al.
die Ergebnisse der Untersuchung der Umwandlung von ALPs in Photonen unter Verwendung des axialen Nachweissystems der Analysefalle des
BASE 
Antiproton-Experiments am CERN. Diese Analyse ergänzt die vorhergehende BASE-Studie der möglichen Wechselwirkungen zwischen ALPs und
Antiprotonen (siehe unsere Nachricht vom 13.11.19).
BASE ist ein kryogenes Penningfallen-Experiment an der "Antimaterie-Fabrik" des CERN, das für den Test der CPT-Invarianz
(C: Ladung, P: Parität, T: Zeit) durch den Vergleich fundamentaler Eigenschaften von Protonen und Antiprotonen entworfen wurde.
Mit BASE lassen sich Spiegelströme im Femtoampere-Bereich nachweisen, die durch in der Analysefalle oszillierende Antiprotonen
induziert werden. Der eingesetzte resonante LC-Schaltkreis ist auch für Änderungen des magnetischen Flusses empfindlich, die durch
ein oszillierendes ALP-Feld verursacht werden. Daher ist es möglich, Schranken für die ALP-Photon-Wechselwirkung zu extrahieren.
Hierzu wird das Rauschspektrum des resonanten Festfrequenz-Schaltkreises nach Peaks abgesucht, die durch hypothetische Dunkle Materie
ALPs hervorgerufen werden, die sich im starken Magnetfeld (1.945 T) des Penningfallen-Magneten in Photonen umwandeln.
Die Forscher konnten für die ALP-Photon-Wechselwirkung für einen engen Massenbereich um 2.791 neV die bisher strengsten
laborbasierten Schranken setzen, auf einem Niveau vergleichbar dem der durch astrophysikalische Beobachtungen mit dem
Fermi-LAT Space Telescope erhaltenen Schranken und strenger als andere aktuelle Haloskop- und Helioskop-Experimente.
Der neue Ansatz eröffnet einen Weg für zahlreiche andere Penningfallen-Experimente, nach Signaturen für ALPs zu suchen.
Die Wissenschaftler erwägen, für künftige Untersuchungen die hochempfindlichen Einzelteilchen-Detektoren von Penningfallen-Experimenten
wie BASE so anzupassen, dass diese noch leistungsstärkere Apparaturen mit höherer Nachweisbandbreite für die experimentelle Suche
nach ALPs werden.
Weitere Informationen finden Sie im Artikel ... >
Bitte lesen Sie auch die Pressemeldung des MPIK
(idw ).
Weitere Pressemitteilungen:
Grenzen von Atomkernen vorhergesagt
In einer neuen Studie "Ab Initio Limits of Nuclei", die im Journal Physical Review Letters als Editors' Suggestion mit
einer begleitenden Synopsis in APS Physics erschienen ist, gelang es unserem Max-Planck-Fellow
Professor Achim Schwenk
von der TU Darmstadt gemeinsam mit Wissenschaftlern der University of Washington, des TRIUMF und der Universität Mainz, die Grenzen
von Atomkernen mit Hilfe innovativer theoretischer Methoden bis zu mittelschweren Kernen zu berechnen.
Die neuen Berechnungen ermöglichen die Vorhersage der Eigenschaften von fast 700 Isotopen zwischen Helium und Eisen.
Die Ergebnisse sind eine Fundgrube an Informationen über mögliche neue Isotope und liefern einen Fahrplan
für Kernphysiker, um diese zu verifizieren.
Ausführliche Informationen finden Sie im Artikel
und in der Pressemitteilung des MPIK .
Bitte lesen Sie auch die Synopsis zum Artikel .
Übersichtsartikel zum Test der Grundlagenphysik mittels Penningfallen
In Penningfallen werden geladene Teilchen durch elektromagnetische Kräfte unter gut kontrollierten Bedingungen für nahezu unbegrenzte Zeit gespeichert. Für die Beobachtung einzelner gespeicherter Ionen wurden hochempfindliche Nachweismethoden entwickelt. Durch den Einsatz verschiedener Kühlmethoden kann die Energie des in einer Penningfalle gespeicherten Teilchens so weit reduziert werden, dass es sich fast in Ruhe befindet.
In einem kürzlich in Quantum Science and Technology veröffentlichten Artikel geben K. Blaum, S. Eliseev und
S. Sturm einen Überblick über die einzigartigen Möglichkeiten, die sich durch hochgeladene Ionen
(highly charged ions, HCIs) für Präzisionsmessungen in Penningfallen bieten.
Präzise Atom- und Kernmassen sowie magnetische Momente gebundener Elektronen erlauben unter anderem die Bestimmung
fundamentaler Konstanten wie der Elektronenmasse oder die Durchführung strenger Tests grundlegender
Wechselwirkungen wie der Quantenelektrodynamik gebundener Zustände.
Die Autoren erörtern aktuelle Ergebnisse und Zukunftsperspektiven der hochpräzisen Penningfallen-Spektroskopie
mit HCIs.
Weitere Informationen finden Sie im Übersichtsartikel ... >