Aaron Chou und William Wester führen ihr Fermilab-Experiment auf der Suche nach Axionen durch. Bildnachweis: Femilab

Eines der Geheimnisse unseres Universums ist das der dunklen Energie und Materie. Wissenschaftler auf der ganzen Welt versuchen herauszufinden, aus welchen Partikeln dunkle Energie und Materie besteht. "Axionen sind eines der Partikel, die für die Dunkle Materie in Betracht gezogen werden", sagt William Wester gegenüber PhysOrg.com . "Wir hatten gehofft, ein Signal zu erhalten, das beweist, dass es sie mit diesem Experiment gibt."

Wester, Wissenschaftler am Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) in Batavia, Illinois, arbeitete eng mit Aaron Chou, jetzt an der New York University, und einer Gruppe von Wissenschaftlern aus Fermilab und der University of Michigan in Ann Arbor zusammen, um ein Experiment zu entwerfen um die Existenz von axionähnlichen Partikeln in einem bestimmten Bereich zu testen. Ihre Ergebnisse sind in den Physical Review Letters zu finden : „Suche nach Axion-ähnlichen Partikeln unter Verwendung einer Photonen-Regenerationstechnik mit variabler Grundlinie“.

Axionen sind hypothetische Teilchen mit einer geringen Masse im Milli- Elektronenvolt-Bereich (eV), wodurch sie 500 Millionen Mal leichter sind als ein Elektron. Zusätzlich sollte ein Axion keinen Spin haben.

„Normalerweise können wir solche Partikel nur mit Teleskopen erfassen, die in den Weltraum blicken“, betont Chou. Und dann ist es nur ein indirekter Nachweis. “Die Idee war, Bedingungen zu schaffen, unter denen sie während eines Laborexperiments Partikel im milli-eV-Bereich nachweisen können.

„Für Partikel, die so stark interagieren, dass wir sie erkennen können, gibt es Einschränkungen, wo sie existieren können oder nicht“, fährt Chou fort. "Für die spezifische Region unseres Experiments hätte niemand gedacht, dass es ohne das PVLAS-Experiment untersucht werden könnte."

Wester erklärt, dass die PVLAS-Kollaboration ein Experiment durchgeführt hat, bei dem ein Signal entdeckt wurde, das ein Axion sein könnte. "Wir wollten sehen, ob wir die gleichen Ergebnisse erzielen können", sagt er. Die PVLAS-Experimentatoren schlossen das Signal schließlich aus, nachdem Wester und Chou begonnen hatten, mit ihren Kollegen an diesem Experiment zu arbeiten. Es gab jedoch noch einige Neuerungen, die die Fermilab-Gruppe ermutigten, voranzukommen.

"Wir haben die Dinge ein wenig anders eingerichtet", sagt Wester. Er weist darauf hin, dass die im Fermilab-Experiment verwendeten Tevatron-Magnete stärker und besser für Experimente im Milli-eV-Bereich geeignet waren als die in früheren Experimenten verwendeten. Mit dem Magnetfeld wurde ein Laser in die Mitte gerichtet.

Eine "Wand" wurde ebenfalls in der Mitte des Magnetfeldes platziert. Das Magnetfeld würde möglicherweise einige der Photonen vom Laser in Axionen umwandeln. Die Wand würde die Photonen aufhalten, aber die Axionen würden auf der anderen Seite auftauchen.

"Es gab vier verschiedene Konfigurationen", fährt Wester fort. „Wir haben auch den Blockiermechanismus seitlich platzieren lassen, um die effektive Länge des Magnetfelds zu ändern. Wir haben es auch mit zwei unterschiedlichen Polarisationen gemacht, vertikal und horizontal. “

Wester sagt, dass das Experiment leider „keine Hinweise auf neue Partikel“ gefunden hat. Er besteht jedoch darauf, „Es hat sich herausgestellt, dass wir alle möglichen Partikel dieses Typs etwas strenger ausschließen können. Es hat die Region erweitert, um ausgeschlossen zu werden. “

Chou denkt, dass es sich vielleicht lohnt, diese Region mit einem stärkeren Magnetfeld zu erkunden. "Der Effekt, den wir suchen, wird stärker als das Magnetfeld."

Beide Wissenschaftler interessieren sich für die zukünftigen Möglichkeiten. „Es gibt einen Vorschlag, wonach sehr genau kontrollierte optische Hohlräume vor und nach der Wand angebracht und stärkere und längere Magnete verwendet werden müssen“, erklärt Wester.

Chou weist auch darauf hin, dass die Daten aus dem Fermilab-Experiment noch untersucht werden. "Es gibt Spekulationen über Partikel, die Chamäleons genannt werden und die Eigenschaften ihrer Umgebung annehmen." Diese Chamäleonpartikel hätten eine geringe Masse bei niedriger Energiedichte und eine große Masse bei Umgebungen mit hoher Energiedichte. "Wir analysieren weiter, ob wir vielleicht ein Chamäleonpartikel finden können."

Auf der Suche nach Partikeln der Dunklen Materie ist Wester optimistisch, welche Rolle er und seine Kollegen spielen. „Wir haben eine ernsthafte Messung durchgeführt und eine Region ausgeschlossen“, sagt er. "Wenn unser kleines Experiment dazu beiträgt, das Bewusstsein zu schärfen und zu mehr experimentellen Anstrengungen führt, auch wenn andere Techniken verwendet werden, ist es ein großer Vorteil, dass wir dies getan haben."

Weitere Informationen zum Fermi Lab-Experiment finden Sie unter gammev.fnal.gov.

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