IAXO: Auf der Suche nach Axionen

Als das größte bisher geplante Axion-Helioskop-Experiment hat IAXO (The International Axion Observatory) eine gute Chance in bisher unerforschte Parameterbereiche des Axions sowie anderer unentdeckter kosmologischer Teilchen einzudringen. Als Kandidat für Dunkle Materie, sowie wegen seiner möglichen Signifikanz im Standard Model ist das Axion ein interessanter Aspekt der Suche nach neuer Physik.

Axionen

Das Axion ist ein hypothetisches Teilchen, dass in 1977 vorgestellt wurde um das starke CP Problem des Standardmodels zu lösen. Es ist außerdem ein Kandidat für leichte dunkle Materie, aufgrund seiner sehr schwachen Wechselwirkungsstärke und seiner geringen Masse.

Rechts sind verschiedene mögliche Interaktionen des Axions mit bekannter Materie zu sehen, wobei der Primakoffeffekt oben links derjenige ist, den sich Helioskopexperimente wie IAXO zu Nutze machen. Die anderen Interaktionen sind weitere Beispiele, wie Axionen möglicherweise in Himmelskörpern wie der Sonne erzeugt werden können, abhängig von ihrer Kopplungsstärke zu Photonen oder Elektronen.
Die Beschränkungen dieser Kopplungsstärken sowie die Masse des Axions wurden über die Jahre in unterschiedlichen Experimenten sowie durch die physikalischen Grenzen unseres Universums festgelegt.

Eine Wissenschaftlerin und ein Wissenschaftler arbeiten hinter einer Glasfassade und mischen Chemikalien mit Großgeräten.

Helioskope

Eine Art dieser Experimente sind Helioskopexperimente. Sie basieren auf der Idee, dass der Kern der Sonne so energiereich ist, dass die Produktion von Axionen durch verschiedene Mechanismen wahrscheinlicher gemacht wird. Auf der Erde wird dann ein Magnet auf die Sonne gerichtet, in dem sich die Axionen über den Primakoff-Effekt an ein Photon koppeln. Diese Photonen behalten die Richtung und Energie der Axionen bei und sind dadurch im Röntgen Bereich und damit mit einem passenden Teleskop fokussierbar. Auf das Teleskop folgt ein Detektor, der Photonen im Energiebereich von 0.1 keV bis etwa 10 keV messen können sollte.

IAXO

Mit einer Magnetlänge von 20 m und 8 möglichen Messplätzen ist IAXO das bisher größte geplante Helioskopexperiment auf der Suche nach Axionen und ALPs (Axion Like Particles). Jeder dieser Messplätze kann mit verschieden Teleskopen und Detektoren ausgestattet werden, wodurch ein möglichst großer Parameterbereich des Axions abgedeckt werden soll. Durch eine bewegliche Platform kann der Magnet etwa 12 Stunden des Tages die Sonne verfolgen, wobei die anderen 12 Stunden für die Messung des Untergrundes wichtig sind.

Als Nachfolger des lange operierenden Helioskops CAST, soll IAXO in bisher unerreichten Parameterregionen nach dem Axion suchen. Aufgrund seiner Größe und der Neuheit vieler seiner Bauteile, wie zum Beispiel der Platform, wurde als Vorexperiment BabyIAXO geplant.

BabyIAXO

Um die Technologie, die in IAXO verwendet werden soll zu testen und selbst nach dem Axion zu suchen, soll am DESY in Hamburg BabyIAXO gebaut werden. In einer der Detektorhallen des ehemaligen beschleunigers Hera ist der nebenstehende Aufbau geplant.

BabyIAXO soll aus einem 10m langen Magneten bestehen, der durch eine bewegliche Platform 12 Stunden am Tag die Sonne verfolgen soll. Aufgrund der zwei geplanten zylinderförmigen Löcher in dem Magneten können zwei Aufbauten dahinter montiert werden. Einer der beiden Aufbauten ist mit einem Röntgen Teleskop von der XMM-Newton Mission geplant, welches die Photonen nach 7,5 m fokussiert. Der andere Aufbau soll mit einem Prototypen von einem geplanten IAXO Teleskopen ausgestattet werden. Zur Detektion des Röntgen Photonsignals werden verschiedene Detektoren von Untergruppen der IAXO Collaboration gebaut. Der GridPix Detektor, den wir in unserer Arbeitsgruppe entwickeln und herstellen wird im Folgenden vorgestellt.

GridPix Detector

Nach dem erfolgreichen Betrieb mehrer GridPix basierten Detektoren beim CAST-Experiment planen wir nun auch den Bau eines Solchen für BabyIAXO. Die Ansprüche hier sind ähnlich wie bisher: Die Röntgen Photonen müssen durch ein vakuumdichtes Fenster ins Gasvolumen gelangen, wobei möglichst wenige von ihnen absorbiert werden sollen. Im Gasvolumen sollen sie dann Elektronen herauslösen, die sich durch ein angelegtes elektrisches Feld in Richtung des Chips bewegen sollen. Kurz bevor sie diesen erreichen sollen sie zur Verstärkung des Signals mithilfe einer Gitterstruktur nochmal stärker beschleunigt werden.

Ein großer Unterschied zu bisherigen Detektoren ist ein neuer Chip sowie ein Anspruch auf noch weniger Untergrundstrahlung durch Detektormaterial. Daher wird der rechts abgebildete Detektor mit radioaktiv reinem Kupfer und Teflon geplant, sowie die Ausleseelektronik enfernt vom Detektorkorpus. Ein erster Prototyp wird bereits getestet.

Weiteführende Links

Für weitere Informationen sind rechts ein paar Links eingefügt. Auf der offiziellen Website von IAXO sind unter "publications and presentations" noch weitere Paper zu finden, wie zum Beispiel das conceptual design, welches den Aufbau und die Physik dahinter in genauerem Detail bescheibt. Um mehr über Axionen und besonders deren Interaktionen mit Teilchen außer Photonen zu lernen, kann man dem Axiontheorie Link folgen.