OSQAR-Experiment

Das Experiment OSQAR[1] (Optical Search for QED Vacuum Birefringence, Axions and Photon Regeneration, „optische Suche nach quantenelektrodynamischer Vakuum-Doppelbrechung, Axionen und Photonen-Wiederherstellung“) am CERN ist ein Experiment, mit dem seit 2007 die Wechselwirkung eines Laserfelds mit einem starken transversalen Magnetfeld untersucht wird. Dabei werden vor allem zwei Zielrichtungen verfolgt: erstens die Suche nach axionartigen und anderen Teilchen jenseits des Standardmodells und zweitens der Nachweis der doppelbrechenden Eigenschaften des Vakuums in einem Magnetfeld. Das Experiment lieferte die bisher strengsten modellunabhängigen Grenzen für die Zweiphotonen-Kopplungsstärke nahezu masseloser axionartiger Teilchen.[2]

Das Experiment wurde in der Magnetversuchsanlage des CERN an der Grenze zwischen Frankreich und der Schweiz aufgebaut. Es nutzte zwei supraleitende Dipolmagnete, wie sie auch im Large Hadron Collider verwendet werden, in einer Vakuumkammer mit einer Gesamtlänge von 14 Metern und einem Durchmesser von etwa 40 Millimetern. Das Funktionsprinzip von OSQAR basiert auf einem Laserstrahl, der Photonen einem Magnetfeld von 9 Tesla aussetzt.[3]

Es ist vorgesehen, die Ziele von OSQAR in Zukunft im Rahmen einer größeren Kollaboration (JURA) mit zusammen mit DESY zu verfolgen.[4]

OSQAR-LSW

OSQAR-LSW ist ein „Licht-durch-Wand“-Experiment (light shines through wall). Das starke Magnetfeld erlaubt prinzipiell die Umwandlung von Photonen im Laser in Axionen. Nach dem ersten LHC-Dipolmagneten befindet sich eine optische Barriere, welche zwar von den Axionen, aber nicht von den Laser-Photonen durchquert werden kann. In dem Feld des dahinter befindlichen zweiten Dipolmagnets können sich dann die erzeugten Axionen zurück in Photonen umwandeln und mittels einer CCD-Kamera registriert werden. Aufgrund der Kopplung an Axionen würde also Licht auf der anderen Seite der undurchdringlichen Barriere ankommen („durch die Wand scheinen“). Bei OSQAR wurde ein 18,5-W-Laser mit einer Wellenlänge von 532 nm verwendet. Es konnte die Existenz von Axionen mit einer Masse kleiner als 10−4 eV und einer Kopplungskonstante von 3,5×10−8 GeV−1 an Photonen mit einem Konfidenzniveau von 95 % ausschließen.[2]

OSQAR-CHASE

Nach einer anderen Art von hypothetischen Teilchen, den sogenannten Chameleon-Teilchen (Chameleon particle) mit variabler effektiver Masse, wird im chameleon afterglow search experiment OSQAR-CHASE gesucht.[5] Anders als die Axionen würden Chameleons an der Barriere reflektiert und könnten dann über eine verzögerte Rückumwandlung in Photonen detektiert werden.[6]

OSQAR-VMB

Ziel dieses Experiments ist es, nachzuweisen, dass das von einem statischen Magnetfeld durchdrungene Vakuum der Quantenelektrodynamik (QED) doppelbrechend ist, d. h., dass linear polarisiertes Licht elliptisch polarisiert wird, wenn es durch ein Magnetfeld propagiert. Dies ist eine lange bekannte Vorhersage der QED, deren Nachweis weiterhin aussteht. Bisher konnte die für den Nachweis des Effekts nötige Sensititivät im Experiment nicht erreicht werden.[7][8] Das Vorhaben wird im Rahmen der VMB@CERN-Kollaboration weiterverfolgt.[9]

Siehe auch

Einzelnachweise
  1. Pierre Pugnat, Lionel Duvillaret, Remy Jost, Guy Vitrant, Daniele Romanini, Andrzej Siemko, Rafik Ballou, Bernard Barbara, Michael Finger, Miroslav Finger, Jan Hošek, Miroslav Král, Krzysztof A. Meissner, Miroslav Šulc, Josef Zicha: Results from the OSQAR photon-regeneration experiment: No light shining through a wall. In: Physical Review D. Band 78, Nr. 9, 13. November 2008, ISSN 1550-7998, doi:10.1103/PhysRevD.78.092003 (aps.org [abgerufen am 16. Dezember 2023]).
  2. Rafik Ballou, Guy Deferne, Michael Finger, Miroslav Finger, Lucie Flekova, Jan Hošek, Štěpán Kunc, Karolina Macuchova, Krzysztof A. Meissner, Pierre Pugnat, Matthias Schott, Andrzej Siemko, Miroslav Slunecka, Miroslav Šulc, Christoph Weinsheimer, Josef Zicha, OSQAR Collaboration: New exclusion limits on scalar and pseudoscalar axionlike particles from light shining through a wall. In: Physical Review D. Band 92, Nr. 9, 2. November 2015, ISSN 1550-7998, doi:10.1103/PhysRevD.92.092002 (aps.org [abgerufen am 16. Dezember 2023]).
  3. OSQAR: Introduction. In: cern.ch. Abgerufen am 14. Januar 2024 (englisch).
  4. CERN (Hrsg.): Medium-Term Plan for the period 2024-2028 and Draft Budget of the Organization for the seventieth financial year 2024. Juni 2023, S. 110 (englisch, cern.ch [PDF; abgerufen am 14. Januar 2024]).
  5. Pierre Pugnat für die OSQAR Collaboration: OSQAR experiment sheds light on a hidden sector of CERN’s scientific heritage. In: cern.ch. 20. September 2018, abgerufen am 14. Januar 2024 (englisch).
  6. CHameleon Afterglow SEarch. In: FermiLab. Abgerufen am 14. Januar 2024 (englisch).
  7. M. Sulc, P. Pugnat, R. Ballou et al.: Progress of the Laser-based Experiment OSQAR. In: Proceedings of the 9th Patras Workshop on Axions, WIMPs and WISPs (AXION-WIMP 2013). 2013, S. 67–70, doi:10.3204/DESY-PROC-2013-04/sulc_miroslav.
  8. Zavattini, G., Della Valle, F., Soflau, A.M. et al.: Polarimetry for measuring the vacuum magnetic birefringence with quasi-static fields: a systematics study for the VMB@CERN experiment. In: Eur. Phys. J. C. Band 82, 2022, S. 159, doi:10.1140/epjc/s10052-022-10100-x.
  9. P. Pugnat, R. Ballou, S. Kunc, K. A. Meissner, A. Siemko, M. Sulc: OSQAR Annual Report 2021. (pdf) 3. Oktober 2021, abgerufen am 14. Januar 2024 (englisch).
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