R&D für das zukünftige MADMAX-Experiment zur Suche nach axionischer Dunkler Materie

Abstract

Die Dunkle Materie trägt nahezu 27% der Energiedichte im Universum bei, während die bekannte baryonische Materie nur rund 5% ausmacht. Dunkle Materie kann bislang nur indirekt beobachtet werden, durch Ihre Gravitationswirkung, jedoch ist der direkte Nachweis bislang nicht gelungen. Verschiedene Experimente versuchen seit Jahrzehnten die Natur der Dunklen Materie aufzuklären. Dazu gehören z.B. Experimente, die mögliche Kollisionen hypothetischer schwere Elementarteilchen (WIMPS) mit der bekannten Materie nachweisen wollen. Ein Erklärungsansatz mit wachsender Bedeutung ist die Axion-Hypothese. Bislang existieren nur wenige Experimente um axionische Dunkle Materie nachzuweisen. Das geplante MADMAX Experiment ist ein neues Konzept, mit dem die elektromagnetische Wechselwirkung der Axionen in einem bislang unerreichten Parameterbereich nachgewiesen werden soll. Das Prinzip von MADMAX ist, die theoretisch vorhergesagte Umwandlung von Axionen in Photonen in einem starken Magnetfeld zu erzeugen und diese zu detektieren. Dies ist nur möglich, wenn eine ausreichende, messbare Stärke des Photonensignals vorliegt, was einen experimentellen Ansatz erfordert, der eine resonante Verstärkung der Axion-Photon Umwandlung hervorruft. Ein existierendes Experiment, das dieses Prinzip verfolgt, ist das ADMX Experiment. Allerdings ist ADMX nur bei geringen Axion Massen sensitiv. MADMAX wird mittels der ersten Verwirklichung des sogenannten dielektrischen Axion Haloskops in höheren Massenbereichen zwischen 40 und 400 μeV sensitiv sein. Im vorliegenden Projekt wurden Grundlagen des MADMAX Experimentes untersucht, und Entwicklungsarbeiten in Hinblick auf die verwendeten Technologien geleistet. Dies umfasst aufwändige Testaufbauten sowie Simulationsstudien. Unter anderem wurde die Simulation des Experimentes weiter verbessert, und Testaufbauten zur Überprüfung und Kalibration der Simulation wurden in Betrieb genommen. Methoden zur Vermessung der Eigenschaften dielektrischer Scheiben (Permittivität sowie Verlustfaktor) wurden weiter entwickelt. Kandidatenmaterialien sowie Prototypen von Scheiben wurden damit charakterisiert. Darüber hinaus haben wir am Aufbau und an der Inbetriebnahme des MADMAX-Prototypen mitgewirkt, womit das erste Physikresultat mit einem Prototypen des MADMAX Experimentes erzielt wurde. Datei-Upload durch TIB