20. Mai 2026

Foto: UHH/Krieger

Forschungsteam mit dem MADMAX-Kryostaten.

Foto: UHH/Krieger

Der MADMAX-Kryostat während der Aufbauphase.

Forscher des Exzellenzclusters Quantum Universe haben einen entscheidenden Meilenstein bei der Suche nach dunkler Materie erreicht: Der MADMAX-Kryostat wurde erfolgreich auf knapp über 4 kelvin (minus 269 °C) abgekühlt. Dadurch ist der Weg frei, das Experiment zum CERN zu transportieren und dort mit der Suche nach einem Teilchen zu beginnen, das eines der größten Rätsel der Physik erklären könnte.

Was sind Axionen – und warum wollen wir sie finden?

Etwa 27 % des Universums bestehen aus dunkler Materie – einer Substanz, von deren Existenz wir aufgrund ihrer gravitativen Auswirkungen auf Galaxien wissen, die jedoch noch nie direkt nachgewiesen wurde. Einer der vielversprechendsten Kandidaten ist das Axion, ein Teilchen, das erstmals in den 1970er Jahren vorhergesagt wurde. Trotz jahrzehntelanger Suche hat es bisher noch niemand gefunden. Erst jetzt werden die Experimente empfindlich genug, um eine realistische Chance auf einen Nachweis zu haben.

Was ist MADMAX?

MADMAX (kurz für „Magnetised Disc and Mirror Axion Experiment“) ist ein neuartiger Ansatz zur Axion-Detektion. Das Prinzip: Wenn Axionen als Dunkle Materie existieren, sollten sie überall um uns herum sein. MADMAX zielt darauf ab, diese Axionen in Photonen umzuwandeln, die dann nachgewiesen werden können.

Dazu nutzt das Experiment einen „dielektrischen Booster“—einen Stapel von letztlich bis zu 80 präzise angeordneten Scheiben mit einem Durchmesser von jeweils etwa einem Meter, die in einem außerordentlich starken Dipol-Magnetfeld von etwa 9 Tesla platziert sind. Zum Vergleich: Ein MRT-Scanner arbeitet mit etwa 1,5 bis 3 Tesla. Ein Magnet dieser Art und Größe wurde bisher noch nie gebaut. An jeder Grenzfläche zwischen den Scheiben können Axionen in Photonen umgewandelt werden und durch den richtigen Abstand der Scheiben lässt sich dieser Effekt sogar verstärken.

Für den Nachweis dieser winzigen Signale muss die gesamte Anlage auf etwa 4 Kelvin – auch kryogene Temperaturen genannt – gekühlt werden, um das Hintergrundrauschen durch Wärmestrahlung zu minimieren.

Um die Machbarkeit von MADMAX zu demonstrieren, insbesondere die In-situ-Neukonfiguration des dielektrischen Boosters durch präzise Bewegung einzelner Scheiben bei kalten Temperaturen, wurde ein Booster-Prototyp gebaut. Dieser Booster-Prototyp wird bis zu 20 Scheiben mit einem Durchmesser von jeweils 30 cm umfassen. Natürlich muss auch dieser MADMAX-Prototyp bei kryogenen Temperaturen betrieben werden, und hier kommt der MADMAX-Kryostat ins Spiel.

Hamburgs Beitrag: Der Kryostat

Der Kryostat, ein hochspezialisiertes Gehäuse, das kryogene Temperaturen aufrechterhält, ist der zentrale Beitrag von Quantum Universe zur MADMAX-Kollaboration und eines der größten Geräte, die jemals im Rahmen des Großgeräteförderungsprogramms der DFG finanziert wurden. Er wurde von einem deutschen Ingenieurbüro nach einzigartigen Vorgaben entworfen und gebaut und verfügt über einen neuartigen doppelwandigen Vakuumbehälter, der es ermöglicht, die darin befindlichen Scheiben mit Heliumgas zu kühlen – eine technisch anspruchsvolle Lösung, für die es keine Standardbaupläne gibt.

Unter der Leitung von Christoph Krieger, leitender Wissenschaftler in der Gruppe von Erika Garutti und Forscher bei Quantum Universe, arbeitet das Team seit 2018 daran, Dunkle Materie zu verstehen und nachzuweisen. Der Abkühlungsprozess selbst – bei dem über 600 kg Edelstahl von Raumtemperatur auf nahezu den absoluten Nullpunkt gebracht werden – dauert etwa drei Wochen, wobei die Durchlaufzeit des Zyklus sechs bis sieben Wochen beträgt, falls Änderungen erforderlich sind. Nachdem frühere Versuche technische Probleme offenbarten, darunter ein internes Kälteleck, das repariert werden musste, stellt die erfolgreiche Abkühlung im Frühjahr 2026 einen bedeutenden Erfolg dar.

DESY leistete während des gesamten Projekts entscheidende Unterstützung, insbesondere durch den Kryostaten-Experten Jörn Schaffran, während das Max-Planck-Institut für Physik in München das Vakuumsystem lieferte.

Wie geht es weiter?

Nachdem sich der Kryostat nun bewährt hat, wird die Kollaboration mit dem Aufbau des gesamten Experiments beginnen, einschließlich der Installation des dielektrischen Verstärkers, der Antenne und des Empfängersystems. Nach der Inbetriebnahme in Hamburg ist geplant, die gesamte Anlage zum CERN zu transportieren, wo sie für den ersten vollständigen Axion-Suchlauf in einen supraleitenden Magneten eingebaut wird.

Christoph Krieger drückt es so aus: „Das ultimative Ziel von MADMAX ist es, nach Axion-Dunkler Materie in einem Teil des Parameterraums zu suchen, der bisher nicht wirklich zugänglich war. Und natürlich wollen wir Axionen finden, falls sie existieren.“