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# Physik # Supraleitung # Hochenergiephysik - Experiment # Beschleunigerphysik

Axionen jagen: Das Supax-Experiment entfaltet sich

Wissenschaftler untersuchen Axionen mit supraleitenden Materialien in bahnbrechenden Experimenten.

Kristof Schmieden, Tim Schneemann, Matthias Schott, Malavika Unni, Hendrik Bekker, Arne Wickenbrock, Dmitry Budker

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Axion-Suche im Axion-Suche im Supax-Experiment Supraleitern. zeigt Herausforderungen mit Die Forschung in der Teilchenphysik
Inhaltsverzeichnis

Auf der Suche nach einem tieferen Verständnis des Universums tauchen Wissenschaftler oft in die Mysterien der Dunklen Materie und fundamentalen Teilchen ein. Ein faszinierender Kandidat in diesem Bereich ist ein hypothetisches Teilchen namens Axion. Um diese winzigen Teilchen zu erforschen, haben Forscher spezielle Experimente eingerichtet, wie das Supax-Experiment an einer Universität in Mainz, Deutschland. Dieses Experiment konzentriert sich darauf, ein einzigartiges supraleitendes Material, Niobium-Nitrid oder NbN, innerhalb eines supraleitenden Hohlraumsystems zu verwenden.

Was ist ein Axion?

Das Axion ist ein vorgeschlagenes Elementarteilchen, das dazu beitragen könnte, ein langjähriges Rätsel in der Physik zu lösen, das als strong-CP-Problem bekannt ist. Im Grunde geht es darum, warum bestimmte Teilchen sich so verhalten, dass es den Erwartungen zuwiderläuft. Stell dir eine Gruppe von Freunden vor, die ein Spiel ohne Regeln spielen – das kann verwirrend werden! Axionen könnten wie die Regeln wirken, die helfen, das chaotische Verhalten in der Teilchenphysik zu verstehen.

Um diese schwer fassbaren Teilchen zu finden, sind Wissenschaftler beschäftigt, verschiedene Experimente aufzubauen. Einige dieser Experimente erzeugen Axionen im Labor, während andere nach der Sonne oder sogar dem Dunklen Materie-Halo rund um unsere Galaxie als Quellen von Axionen suchen.

Das Supax-Experiment

Das Supax-Experiment ist speziell darauf ausgelegt, nach Axionen zu suchen und verlässt sich darauf, Axionen in Photonen – also Lichtteilchen – umzuwandeln, indem es supraleitende Materialien verwendet. Die Idee ist, dass wir durch das Erhöhen der Magnetfeldstärke die Chancen erhöhen könnten, dass diese Umwandlung stattfindet. In diesem Fall verwenden die Forscher einen supraleitenden Hohlraum, der mit NbN beschichtet ist, um zu untersuchen, wie sich dieses Material in einem starken Magnetfeld verhält.

Der supraleitende Hohlraum

Was genau ist jetzt ein supraleitender Hohlraum? Denk an ihn als eine echt schicke Box, die dabei hilft, Signale von Axionen zu verstärken. Die Hohlräume bestehen aus zwei Kupferhälften, die ziemlich klein sind, etwa so gross wie ein Laib Brot. Sie sind mit abgerundeten Ecken gestaltet, um eine Wärmewachstumsbildung zu minimieren und Energieverluste zu vermeiden. Die NbN-Beschichtung wird hinzugefügt, um die Leistung der Hohlräume zu verbessern, damit sie bei sehr niedrigen Temperaturen arbeiten können.

Dieser Hohlraum ist keine gewöhnliche Box. Er ist so gestaltet, dass er auf einer bestimmten Frequenz schwingt, ähnlich wie eine Gitarrensaite bei bestimmten Tönen vibriert. In diesem Fall liegt die Ziel- Frequenz bei etwa 8,4 GHz, was im Bereich der Radiofrequenzen liegt.

Versuchsanordnung

Im Herzen des Supax-Experiments steht ein Kryostat, ein Gerät, das den Hohlraum auf extrem niedrige Temperaturen – etwa 4 K – herunterkühlt. Zum Vergleich: Das sind etwa -269 Grad Celsius! Um das Experiment stabil zu halten, überwachen die Forscher sorgfältig die Temperatur und das Magnetfeld und nehmen bei Bedarf Anpassungen vor.

Neben dem Kühlen gibt es Verstärker, die dazu dienen, die Signale aus dem Hohlraum zu verstärken, damit sie leichter zu detektieren sind. Das Experiment nutzt verschiedene Geräte und Gadgets, um sicherzustellen, dass alles reibungslos läuft, einschliesslich sorgfältig gestalteter Antennen, um Signale in den Hohlraum einzuspeisen.

Leistungsmessung

Sobald der Hohlraum läuft, sammeln die Wissenschaftler Daten, indem sie bestimmte Parameter messen, einschliesslich Qualitätsfaktoren, die anzeigen, wie gut der Hohlraum unter verschiedenen Bedingungen funktioniert. Der Qualitätsfaktor ist im Grunde ein Mass dafür, wie viel Energie der Hohlraum während des Betriebs verliert. Ein höherer Qualitätsfaktor bedeutet bessere Leistung und idealerweise eine grössere Chance, Axionen zu erkennen.

Um diese Eigenschaften zu messen, erhitzen die Wissenschaftler den Hohlraum, passen das Magnetfeld an und kühlen ihn dann wieder ab, um Tests durchzuführen. Dieser zyklische Prozess ermöglicht es ihnen, Daten darüber zu sammeln, wie sich die NbN-Beschichtung unter verschiedenen Magnetfeldstärken verhält.

Beobachtungen und Ergebnisse

Als die Forschung voranschritt, bemerkten die Wissenschaftler etwas Interessantes. Als sie das Magnetfeld erhöhten, stieg auch der Oberflächenwiderstand der NbN-Beschichtung. Das war kein positives Zeichen, da es zu einem Rückgang des Qualitätsfaktors führte. Es scheint also, dass NbN zwar vielversprechend ist, aber möglicherweise nicht die perfekte Lösung für diese extremen Bedingungen ist.

Um die Sache noch komplexer zu machen, haben frühere Studien gezeigt, dass ein klassischer Supraleiter, Niobium-Titan (Nb3Sn), ein ähnliches Verhalten gezeigt hat. Als das Magnetfeld stärker wurde, sank die Leistung, und schliesslich schnitt es bei hohen Magnetfeldern schlechter ab als normales Kupfer. Auch wenn Kupfer nicht glamourös erscheint, hat es in diesen Bedingungen einige Vorteile.

Weitere Untersuchungen haben gezeigt, dass Hochtemperatursupraleiter, insbesondere die aus seltenerdmetall-Barium-Kupferoxid, sich bei hohen Magnetfeldern besser schlagen. Allerdings haben auch sie ihre eigenen Herausforderungen – insbesondere, dass sie auf gekrümmten Oberflächen Probleme haben, was ihre potenziellen Anwendungen einschränkt.

Mögliche Alternativen

Mit den gemischten Ergebnissen von NbN schauen die Forscher sich andere Supraleiter wie eisenbasierte Materialien an. Diese neuen Kandidaten könnten in hohen Magnetfeldern eine bessere Leistung bieten und eventuell besser für die Beschichtung von Hohlraumoberflächen geeignet sein.

Letztendlich ist die Suche nach dem idealen supraleitenden Material im Gange. Die Forscher sind ständig auf der Suche nach Alternativen, die bessere Leistungen bieten und gleichzeitig leicht zu handhaben sind. Es ist ein bisschen wie die Suche nach dem perfekten Dessert; es muss lecker sein, einfach zuzubereiten und darf in der Sonne nicht schmelzen.

Fazit

Das Supax-Experiment ist ein aufregendes Unterfangen in der Welt der Teilchenphysik und Supraleitung. Während die Jagd nach Axionen weitergeht, ist die Forschung zu supraleitenden Materialien wie NbN und ihrem Verhalten in Magnetfeldern entscheidend. Jedes Experiment bringt die Wissenschaftler näher daran, die grundlegenden Aspekte unseres Universums zu verstehen.

Auch wenn die Forscher über einige Ergebnisse enttäuscht sind, ist die Entdeckungsreise nie langweilig. Schliesslich läuft der Versuch, das Universum zu verstehen, nicht immer nach Plan – genau wie ein Kochrezept schiefgehen kann und zu unerwarteten Geschmäckern führt.

Am Ende geht es in der Wissenschaft darum, Fragen zu stellen und neugierig zu sein. Und wer weiss? Das nächste Experiment könnte genau den Sweet Spot treffen, wo alles zusammenkommt und ein Licht auf das geheimnisvolle Axion und andere Mysterien des Kosmos wirft.

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