Auf der Fahndungsliste der DESY-Forscher stehen nicht nur extrem schwere Teilchen, die mit großen Hochenergiebeschleunigern erzeugt werden müssen. Auch sehr leichte Teilchen am unteren Ende der Energieskala könnten den Physikern Hinweise auf unbekannte physikalische Phänomene liefern. Mit dem im Verhältnis zu den gewaltigen Apparaturen an LHC oder ILC geradezu winzigen Experiment ALPS sind die DESY-Forscher den Leichtgewichten auf der Spur.

Teilchenphysik am unteren Ende der Energieskala

Mit den großen Hochenergiebeschleunigen wie dem LHC in Genf oder dem geplanten Linearbeschleuniger ILC fahnden die Physiker nach Schwergewichten – Teilchen, die ihnen bisher entgangen sind, weil die Energie früherer Beschleuniger nicht ausreichte, um Teilchen mit solch hoher Masse zu erzeugen. In der Tat sagen die meisten Theorien, die über das Standardmodell der Teilchenphysik hinausführen, neuartige Teilchen voraus, die etwa tausendmal schwerer sind als das Proton. Jüngste theoretische Arbeiten sowie einige bisher kaum verstandene experimentelle Beobachtungen deuten nun jedoch darauf hin, dass sich die „neue Physik“ auch in einer Fülle von extrem leichten Teilchen offenbaren könnte.

Diese sogenannten WISPs (für Weakly Interacting Sub-eV Particles, schwach wechselwirkende Teilchen mit Massen unter einem Elektronenvolt) reagieren nur sehr selten mit Materie und werden entsprechend selten erzeugt, so dass ihre Spuren an den großen Hochenergiebeschleunigern in der Flut von Standardreaktionen einfach untergehen würden. Um die hypothetischen WISPs am unteren Ende der Energieskala aufzuspüren, müssen die Physiker deshalb zu anderen Mitteln greifen. Mit dem Experiment ALPS (Any Light Particle Search) wird seit Sommer 2007 auch bei DESY nach den flüchtigen Leichtgewichten gesucht.

Licht durch die Wand

Die an ALPS beteiligten Physiker von DESY, der Hamburger Sternwarte, dem Laser Zentrum Hannover sowie dem Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik verfolgen den esoterisch anmutenden Ansatz, „Licht durch eine Wand“ zu schicken: Sie senden einen Laserstrahl durch das starke Magnetfeld eines ausrangierten HERA-Dipolmagneten (siehe auch Artikel zum Thema HERA). Sollte es tatsächlich WISPs geben, so müsste ein Teil der Photonen (Lichtteilchen) des Laserstrahls dabei verschwinden und sich in die unbekannten Leichtgewichte umwandeln. In der Mitte des Magneten stoppt eine Wand das Laserlicht. Die erzeugten WISPs könnten die Wand jedoch durchqueren – da sie so selten mit anderen Teilchen wechselwirken, ist feste Materie für sie kein Hindernis. Im Magnetfeld hinter der Wand könnten sich einige der theoretisch vorhergesagten neuen Teilchen wieder in Lichtteilchen zurück verwandeln, die sich dann mit einem Photonendetektor nachweisen ließen. Damit wäre das Licht in der Tat quasi „durch die Wand“ gegangen.

Die erwartete Ausbeute solcher Photonregenerations-Experimente ist allerdings gering: Höchstens jedes milliardste Photon wandelt sich in WISPs um, davon wandelt sich wieder nur jedes milliardste in Licht zurück. Die Physiker von ALPS verwenden derzeit einen Laser mit einer Leistung von knapp 15 Watt – das entspricht rund 15.000 Laserpointern. Damit sollten sich WISPs, die leichter als ein Milli-Elektronenvolt sind, bereits jetzt mit konkurrenzfähiger Empfindlichkeit aufspüren lassen. Durch den Einbau einer sogenannten optischen Kavität, mit der die Laserleistung auf 300 Watt und eventuell sogar über tausend Watt gesteigert werden soll, wird die Empfindlichkeit von ALPS nochmals deutlich erhöht. Dann wird das DESY-Experiment den hypothetischen leichtgewichtigen WISPs mit der weltbesten Empfindlichkeit nachstellen und – so die Hoffnung der Physiker – schon bald weitere Einsichten ins Neuland niedriger Energien liefern.

Wer weiß – womöglich gelingt es den Physikern von ALPS mit ihrem ausgemusterten HERA-Magneten, noch vor ihren Kollegen an den milliardenschweren Beschleunigern die lang ersehnten Hinweise auf neue Physik zu finden. Auf jeden Fall ergänzen die Suchen nach sehr leichten Teilchen im Niedrigenergiebereich die Messungen an den Großexperimenten bei höchsten Energien auf optimale Weise – in Kombination werden ihre Ergebnisse entscheidend dazu beitragen, unser Verständnis der elementaren Bausteine des Universums und ihrer Wechselwirkungen zu vertiefen.