Das CAST-Experiment

CAST – Axionen aus dem Inneren der Sonne

Seit rund 25 Jahren suchen Physiker nach einem hypothetischen Teilchen – dem Axion. Einerseits könnte es als Relikt des Urknalls einen Teil der bisher nicht identifizierten Dunklen Materie erklären, andererseits würde es ein fundamentales Problem des Standardmodells der Elementarteilchenphysik lösen. Das Experiment CAST am CERN sucht nach Axionen, die im Inneren der Sonne entstehen würden.

Schematischer Aufbau des Teleskops. Der Riesige Teleskoparm befindet sich an beiden Enden an Halterungen montiert und ist drehbar.
Der Aufbau des „Axionen-Sonnentelskops“

Die Idee des Axions geht auf ein grundlegendes Problem der Teilchenphysik zurück: die Erhaltung der „CP-Symmetrie“ in der Quantenchromodynamik (QCD). Diese Theorie beschreibt die starke Wechselwirkung zwischen Quarks und lässt eigentlich den Bruch des fundamentalen CP-Symmetrieprinzips erwarten. Es besagt, dass die Naturgesetze unverändert bleiben, wenn in Experimenten eine Raumspiegelung (Paritätsoperation P) und eine Änderung der elektrischen Ladung („Charge Conjugation“ C, also die Überführung eines Teilchens in sein Antiteilchen) vorgenommen wird. Die Verletzung der CP-Symmetrie wurde zwar beobachtet, aber nicht im Zusammenhang mit der QCD. Dieser eklatante Widerspruch zwischen Theorie und Experiment ließe sich durch die Existenz eines neuen Elementarteilchens lösen, des Axions, das 1978 postuliert wurde.

Schematischer Versuchsaufbau zum Nachweis von Axionen. Falls in der Sonne Axionen entstehen, erreichen sie nach gut acht Minuten die Erde. Durchfliegen sie dort ein sehr starkes Magnetfeld, können sie sich in Röntgenstrahlung umwandeln, die dann detektiert werden kann.
Versuchsaufbau zum Nachweis von Axionen

Ähnlich den Neutrinos wären Axionen extrem schwach wechselwirkende, elektrisch neutrale Teilchen mit einer Lebensdauer von bis zu 1025 Sekunden. In Anbetracht des Alters des Universums von 13,7 Milliarden Jahren (entsprechend 4,3 ⋅ 1017 Sekunden) wären Axionen damit quasi stabile Teilchen, die nicht zerfallen können. Diese Eigenschaften erschweren ihren experimentellen Nachweis.

Es gab bereits viele Versuche, Axionen zu entdecken. Nullresultate zusammen mit kosmologischen und astrophysikalischen Beobachtungen schränken die möglichen Parameterbereiche ein. Heute ist bekannt, dass Axionen eine Masse von weniger als einem Elektronenvolt (eV) haben müssen – sofern sie überhaupt existieren.

Foto einer riesigen blauen Röhre in einer großen Halle. Darum viel komplexes technisches Gerät.
Der supraleitende Magnet von CAST

Verwandlung des Axions in Röntgenstrahlung

Neue technische Entwicklungen haben es ermöglicht, die Empfindlichkeit zum Nachweis von Axionen so weit zu erhöhen, dass experimentell in bislang verschlossene Parameterbereiche vorgedrungen werden kann. Das CERN Axion Solar Telescope, kurz CAST, ist ein solches Experiment der neuesten Generation. CAST soll speziell nach Axionen suchen, die im Inneren der Sonne entstehen würden.

Axionen würden bei der Wechselwirkung von Photonen mit dem elektromagnetischen Feld geladener Teilchen im heißen Kern der Sonne entstehen. Anschließend würden diese Teilchen die Sonne ungehindert verlassen. Auf der Erde ließen sie sich dann mit einer trickreichen Anordnung auf folgende Weise nachweisen. Wenn ein Axion in ein starkes Magnetfeld gerät, kann es sich in ein Photon umwandeln.

Zylinderförmige silbrige Röhren, umgeben von Elektronik und Verkabelung.
Das Röntgenteleskop von CAST

Die Energie beziehungsweise Wellenlänge des neuen Photons hinge dabei von der Energie des ehemaligen Axions ab. Bei CAST wird davon ausgegangen, dass bei dieser Umwandlung ein Röntgenphoton entsteht. Die Empfindlichkeit des Experiments hängt im Wesentlichen von der Länge und der Stärke des verwendeten Magnetfeldes ab.

Bei CAST nutzen die Physiker ein Bauelement, das als Prototyp für die Ablenkmagnete des Large Hadron Colliders (LHC) entwickelt wurde, dem bisher größten Teilchenbeschleuniger. Der CAST-Magnet ist über neun Meter lang, wobei eine supraleitende Spule ein sehr starkes Magnetfeld von neun Tesla erzeugt. Der Magnet ist beweglich montiert, so dass er für drei Stunden am Tag wie ein Fernrohr der Sonne am Himmel folgen kann. Während der restlichen Zeit zeichnen die Nachweissysteme Hintergrunddaten auf. An seinen beiden Enden befinden sich hochempfindliche Detektoren. Sie sollen jene Röntgenstrahlung nachweisen, die bei der Umwandlung von Axionen entsteht.

Diagramm des hypothetischen Axionenflusses. Horizontale Achse: Axionen Energie in Kiloelektronenvolt. Vertikale Achse: Axionen Spektrum in zehn Milliarden pro Quadratzentimeter, Sekunde und Kiloelektronenvolt. Die Kurve verläuft vom Wert null bis zehn auf der horizontalen Achse. Sie steigt von null zunächst stark an und fällt dann asymmetrische zum Anstieg schwächer auf nahezu null wieder ab.
Erwarteter Axionenfluss von der Sonne

Das CAST Detektorsystem mit der höchsten Sensitivität wurde in Deutschland entwickelt und ist ein Röntgenteleskop, bestehend aus einer Spiegeloptik und einem abbildenden pn-CCD zum Nachweis der Röntgenphotonen. Beide Komponenten wurden ursprünglich für Weltraum-Röntgenteleskope vom Max- Planck-Institut für extraterrestrische Physik und vom gemeinsamen Halbleiterlabor der Max-Planck-Institute für Physik und extraterrestrische Physik gebaut und anschließend für ihren Einsatz bei CAST optimiert.

Erste Ergebnisse und Ausblick

Das System ist seit drei Jahren in Betrieb und lieferte in einer ersten Messphase von 2002 bis 2004 hochwertige Daten. Ein Signal, das auf die Existenz von Axionen hindeutet, konnte bisher nicht gemessen werden. Allerdings ist es den Physikern von CAST bereits damit möglich, den Parameterbereich, in dem Axionen existieren können, stärker als bisher einzuschränken. So konnte der Parameter, der die Stärke der Wechselwirkung von Axionen mit einer Masse von weniger als 0,02 eV mit gewöhnlicher Materie beschreibt, um einen Faktor fünf gegenüber früheren Experimenten verbessert werden. Die Datennahme mit einem verbesserten System hat begonnen. Ein Nachweis des Axions mit CAST wäre ein sensationeller Erfolg der theoretischen und experimentellen Teilchenphysik.