Physik Mit dem Ersatzteil auf Teilchenjagd

Forscher am Hamburger Desy wollen ein neues Teilchen finden – mit einem übrig gebliebenen Magneten des ausgemusterten Beschleunigers Hera

Heras Hoffnung auf einen letzten Coup ist ein Ersatzteil in Halle 55. Es handelt sich um einen neun Meter langen, tonnenschweren, supraleitenden Magneten. Aus dem Einsatz in Hera, dem Teilchenbeschleuniger des Hamburger Forschungszentrums Desy, wird nichts mehr. In wenigen Wochen geht die größte Maschine Deutschlands nach 15 Jahren außer Betrieb. Spektakuläre Entdeckungen sind nicht mehr zu erwarten, Hera läuft nur noch mit halber Kraft.

Doch ihr Ersatzteil in Halle 55 könnte – als finaler Paukenschlag – schaffen, was Hera selbst verwehrt blieb: die Entdeckung eines neuen Teilchens. Als »axionenartig« bezeichnen die Physiker vorsichtig das, was sie mit Hilfe des Magneten erzeugen wollen. Sollten sie Glück haben und erfolgreich sein, hätten sie ihren Platz in den Annalen der Physik sicher. Denn die gesuchten Teilchen sind nicht nur Kandidaten für die mysteriöse Dunkle Materie, sie sind auch im heute gängigen Standardmodell der Teilchenphysik nicht vorgesehen. Dort gibt es 17 Elementarteilchen: sechs verschiedene Quarks, sechs Leptonen und fünf Bosonen, mit denen sich der Aufbau der bekannten Materie recht gut erklären lässt.

Das Experiment, das ein neues Teilchen jenseits dieses Modells, also ein Stück neue Physik entdecken soll, ist für diesen Zweck geradezu lächerlich klein. »Es ist ein bisschen wie ein Garagenprojekt«, sagt Niels Meyer, einer der am Projekt Alps (Axion-Like Particle Search) beteiligten Desy-Physiker. »Wir machen das mit sechs Leuten, quasi in Teilzeit.« Mit einer halben Million Euro sind auch die Kosten überschaubar. So hoch ist Heras Stromrechnung jeden Monat. Und im internationalen Beschleunigervergleich ist sogar die vollständige Hamburger Anlage mit ihren 6,7 Kilometern Umfang ein Zwerg. Der milliardenteure LHC (Large Hadron Collider), der Ende des Jahres in der Nähe von Genf in Betrieb gehen wird, um das Higgs-Boson und neue Teilchen jenseits des Standardmodells zu finden, ist die größte und komplizierteste Maschine der Welt. Ihr Umfang: 27 Kilometer (ZEIT Nr. 14/07) .

Dass die Forscher von Alps dennoch glauben, mit ihrem Miniprojekt etwas finden zu können, liegt daran, dass sie am anderen Ende der Energieskala nachsehen. Während normale Teilchenbeschleuniger mit immer höherer Power nach Teilchen jenseits des Standardmodells suchen, soll Alps quasi im Niedrigenergiebereich die Fahndung aufnehmen.

Auf die Idee, dort nachzusehen, hat die Desy-Physiker das Turiner PVLAS-Experiment gebracht. Die dortigen Kollegen publizierten vor einem Jahr eine seltsame Beobachtung. Ihnen waren in einem Magnetfeld Photonen abhanden gekommen. Wodurch, das lässt sich mit der Physik des Standardmodells nicht erklären, sehr wohl aber mit axionenartigen Teilchen. Denn zu den Dingen, die man über sie weiß, gehört, dass sich in einem Magnetfeld Photonen in axionenartige Teilchen verwandeln können.

Weil diese vermutlich das einzige Produkt der Reaktion sind und kaum messbar, können die Forscher sie nicht direkt beobachten. Sie möchten aber indirekt deren Existenz nachweisen: anhand verschwundener Photonen. »Wenn die Turiner Kollegen sorgfältig gearbeitet haben – und davon gehen wir aus –, dann muss im PVLAS-Experiment eine Art neues Teilchen entstanden sein«, sagt Axel Lindner, der an Alps beteiligt ist.

Axionen oder axionenartige Teilchen sind keine neue Erfindung der Physiker. Schon vor drei Jahrzehnten wurde ihre Existenz postuliert, nur nachweisen konnte sie bisher niemand. Für gute Laborexperimente habe man bisher einfach zu wenig gewusst, sagt Lindner. Jetzt aber wisse man, wo man nachsehen könne. Und fange an damit. Eine Idee, auf die auch einige andere Teams weltweit gekommen sind, mit denen sich Alps inzwischen einen Wettlauf liefert.

Das Konzept des Hamburger Experiments heißt »Licht durch die Wand«. Die Hälfte vor der Wand stellt das Turiner PVLAS-Experiment nach. Ein polarisierter Laser wird in das starke Feld des Magneten aus Halle 55 geschossen. Dort soll sich ein Teil der Photonen in axionenartige Teilchen verwandeln. Eine Wand und ein Spiegel stellen sich in der Mitte des Magneten dem Laserstrahl in den Weg. Da die axionenartigen Teilchen Materie problemlos passieren, kämen nur sie in der hinteren Hälfte an. Dort soll die Verwandlung dann rückwärts laufen. Axionenartige Teilchen würden im Magnetfeld wieder zu Photonen. Somit wäre das Licht quasi »durch die Wand« gegangen.

Von 10 ²¹ Photonen käme zwar nur eines beim Messgerät an. Doch der Laser produziert diese Anzahl in jeder Sekunde. Deshalb hoffen die Physiker, einiges zum Zählen zu haben. Ob sie schlussendlich zu Teilchenentdeckern werden, hänge davon ab, ob »die Natur da auch ein axionenartiges Teilchen hingepackt hat«, sagt Niels Meyer.

Vielleicht geht ihnen aber etwas ganz anderes in die Falle. Axionenartige Teilchen sind nicht die einzige Erklärung für die Ergebnisse von PVLAS, respektive für das Fehlen der Photonen im Turiner Experiment. Auch »milligeladene« Teilchen kämen infrage, erklärt Andreas Ringwald, der Theoretiker der Hamburger Gruppe. Sein Kollege Lindner ist zuversichtlich: »Wir beim Desy kriegen das hin, zu sagen, was da entstanden ist. Es muss ja nicht beim ersten Aufschwung schon klappen.«

Die Suche ist den Aufwand wert. Teilchen außerhalb des Standardmodells zu finden wäre die Eintrittskarte zu einem neuen Bereich der Physik, glaubt Lindner. Fast wundert man sich, dass noch niemand dort nachgeschaut hat, wo jetzt Schätze vermutet werden. Schuld sind astrophysikalische Überlegungen. Mit deren Hilfe habe man bisher gewisse Bereiche ausgeschlossen, in denen nichts zu erwarten sei, sagt Ringwald. »Das war wie ein blinder Fleck.« Nach den Ergebnissen von PVLAS habe man noch mal genauer hingesehen und gemerkt: Die astrophysikalische Argumentation schließt doch nicht so definitiv aus, dass es dort etwas zu entdecken gibt.

Sollte Alps fündig werden, könnte eine neue Gründerzeit der Teilchenphysik anbrechen, denn der neue Bereich ist mit kleinen und günstigen Experimenten zu bestellen. Am anderen Ende der Energieskala sind die Versuche inzwischen extrem aufwendig geworden. Sie werden nur noch in internationaler Kooperation betrieben – das kostet mehr als der Einsatz eines einzelnen ausgemusterten Ersatzteils.