Auf der Fahndungsliste der DESY-Forscher stehen nicht nur extrem schwere Teilchen, die mit großen Hochenergiebeschleunigern erzeugt werden müssen. Auch sehr leichte Teilchen am unteren Ende der Energieskala könnten den Physikern Hinweise auf unbekannte physikalische Phänomene liefern. Mit dem im Verhältnis zu den gewaltigen Apparaturen an LHC oder ILC geradezu winzigen Experiment ALPS sind die DESY-Forscher den Leichtgewichten auf der Spur.

Mit den großen Hochenergiebeschleunigen wie dem LHC in Genf oder dem geplanten Linearbeschleuniger ILC fahnden die Physiker nach Schwergewichten – Teilchen, die ihnen bisher entgangen sind, weil die Energie früherer Beschleuniger nicht ausreichte, um Teilchen mit so hoher Masse zu erzeugen. In der Tat sagen die meisten Theorien, die über das Standardmodell der Teilchenphysik hinausführen, neuartige Teilchen voraus, die etwa 1000-mal schwerer sind als das Proton. Jüngste theoretische Arbeiten sowie einige bisher kaum verstandene experimentelle Beobachtungen deuten jedoch darauf hin, dass sich die „neue Physik“ auch in einer Fülle von extrem leichten Teilchen offenbaren könnte.

Diese so genannten WISPs (für Weakly Interacting Sub-eV Particles, schwach wechselwirkende Teilchen mit Massen unter einem Elektronenvolt) reagieren nur sehr selten mit Materie und werden entsprechend selten erzeugt, so dass ihre Spuren an den großen Hochenergiebeschleunigern in der Flut von Standardreaktionen untergehen würden. Um die hypothetischen WISPs am unteren Ende der Energieskala aufzuspüren, müssen die Physiker deshalb zu anderen Mitteln greifen. Mit dem Experiment ALPS (Any Light Particle Search) wird auch bei DESY nach den flüchtigen Leichtgewichten gesucht.

Licht durch die Wand

Die an ALPS beteiligten Physiker von DESY, dem Albert-Einstein-Institut Hannover und den Universitäten Hamburg und Mainz verfolgen den unmöglich anmutenden Ansatz, „Licht durch eine Wand“ zu schicken: Sie senden einen Laserstrahl durch das starke Magnetfeld von ursprünglich für HERA gebauten Dipolmagneten. Sollte es tatsächlich WISPs geben, so müsste ein Teil der Photonen (Lichtteilchen) des Laserstrahls dabei verschwinden und sich in die unbekannten Leichtgewichte umwandeln. In der Mitte zwischen den Magneten stoppt eine Wand das Laserlicht. Die erzeugten WISPs könnten die Wand jedoch durchqueren – da sie so selten mit anderen Teilchen wechselwirken, ist feste Materie für sie kein Hindernis. Im Magnetfeld hinter der Wand könnten sich einige der theoretisch vorhergesagten neuen Teilchen wieder in Lichtteilchen zurück verwandeln, die sich dann mit einem Photonendetektor nachweisen ließen. Damit wäre das Licht in der Tat „durch die Wand“ gegangen.

Die erwartete Ausbeute solcher Photonregenerations-Experimente ist allerdings gering: Höchstens jedes hundertmilliardste Photon wandelt sich in WISPs um, davon wandelt sich wieder nur jedes hundertmilliardste in Licht zurück. Der experimentelle Aufbau muss also äußerst empfindlich sein, damit die Forscher überhaupt eine Chance haben, die Verwandlungskünstler aufzuspüren.

Klein aber fein

In der ersten Phase des ALPS-Experiments von 2007 bis 2010 nutzten die Forscher zunächst einen einzelnen HERA-Magneten. Als weltweit empfindlichstes Experiment auf diesem Gebiet lieferte ALPS die genauesten Grenzen für die Existenz von WISPs – mit zehnmal besserem Ergebnis als frühere Experimente. Um die Empfindlichkeit der Messungen nochmals um mehrere Größenordnungen zu erhöhen, planen die ALPS-Forscher, das Experiment mit 20 HERA-Dipolen zu wiederholen, in deren Mitte sich die zu durchdringende Wand befindet. Wer weiß – womöglich gelingt es den Physikern von ALPS mit ihren HERA-Magneten, vor ihren Kollegen an den milliardenschweren Beschleunigern Hinweise auf neue Physik zu finden. Auf jeden Fall ergänzt die Suche nach sehr leichten Teilchen im Niedrigenergiebereich die Messungen an den Großexperimenten bei höchsten Energien auf optimale Weise – in Kombination werden die Ergebnisse entscheidend dazu beitragen, unser Verständnis der elementaren Bausteine des Universums und ihrer Wechselwirkungen zu vertiefen.