Axion Dunkle Materie

Das Axion ist ein hypothetisches ultraleichtes Teilchen, das zu einem der überzeugendsten Kandidaten für geworden ist dunkle Materie – die unsichtbare Substanz, die etwa 85 % der Materie im Universum ausmacht. Was das Axion besonders attraktiv macht, ist, dass es überhaupt nicht erfunden wurde, um dunkle Materie zu erklären. Es wurde vorgeschlagen, um ein völlig anderes Problem zu lösen, und erst später stellte sich heraus, dass es sich ebenfalls um einen natürlichen Kandidaten für Dunkle Materie handelte.

Das Strong-CP-Problem

Die Theorie der starken Kernkraft, die Quantenchromodynamik, erlaubt einen Begriff, der Neutronen in ihrer Ladung leicht schief machen würde – was ihnen ein elektrisches Dipolmoment verleiht. Experimente zeigen, dass das Dipolmoment des Neutrons erstaunlich nahe bei Null liegt, viel kleiner, als die Theorie natürlich erwartet. Warum die starke Kraft diese Symmetrie so genau respektiert, ist Strong-CP-Problem. 1977 schlugen Roberto Peccei und Helen Quinn eine elegante Lösung vor: eine neue Symmetrie, die den beleidigenden Begriff dynamisch auf Null treibt. Das Axion ist das übrig gebliebene Teilchen, das dieser Mechanismus vorhersagt.

Warum ein Problemlöser gute Dunkle Materie macht

Das entstehende Axion ist extrem leicht – vielleicht ein Billionstel der Masse eines Elektrons oder weniger – und interagiert nur schwach mit gewöhnlicher Materie. Im frühen Universum wären Axionen in großer Zahl entstanden, ohne sich schnell zu bewegen, und hätten einen kalten, unsichtbaren Hintergrund gebildet, der genau so gravitierend wäre, wie es dunkle Materie tun müsste. Ein zur Fixierung der starken Kraft eingeführtes Teilchen dient somit gleichzeitig als Haupterklärung für die kosmische Masse, die wir nicht sehen können. Allgemeinere Versionen, genannt axionartige Teilchen, tauchen in vielen Theorien jenseits des Standardmodells auf.

Wie Experimente nach Axionen suchen

Axionen können sich in einem starken Magnetfeld in Photonen umwandeln. Detektoren namens Haloskope – wie das ADMX-Experiment – ​​verwenden einen starken Magneten und einen fein abgestimmten Mikrowellenhohlraum, um zu versuchen, Axionen der Dunklen Materie einzufangen, die sich in schwache Hochfrequenzphotonen umwandeln. Da die Masse des Axions unbekannt ist, müssen Experimente langsam über viele mögliche Frequenzen scannen, so wie man ein Radio auf einen Sender einstellt, dessen Nummer niemand kennt. Astronomen suchen auch nach den Photonen, die Axionen in der Nähe magnetisierter Neutronensterne und in entfernten Gaswolken erzeugen würden.

Ein häufiges Missverständnis

Axionen sind nicht dasselbe wie die WIMPs (schwach wechselwirkende massive Teilchen), die lange Zeit die Suche nach Dunkler Materie dominierten. WIMPs sind schwer; Axionen sind außerordentlich leicht. Die beiden repräsentieren sehr unterschiedliche theoretische Annahmen darüber, was dunkle Materie ist, und da WIMP-Suchen erfolglos blieben, haben Axionen wachsende Aufmerksamkeit auf sich gezogen.

Wie ein Haloskop ein Axion fängt

Das Detektionsprinzip beruht auf einer Tatsache: In einem starken Magnetfeld kann sich ein Axion in ein Photon gleicher Gesamtenergie umwandeln. Da die Energie eines Axions aus dunkler Materie fast vollständig aus seiner Ruhemasse besteht, wird die Frequenz des Photons durch die Axionmasse durch festgelegt E = hf = m_ac². Für das bevorzugte Massenfenster von einigen Mikroelektronenvolt landet das im Mikrowellenband:

m_a ≈ 1–100 µeV → f ≈ 0,24–24 GHz

Ein Experiment wie ADMX platziert einen abstimmbaren Mikrowellenhohlraum in einem starken Magneten und durchläuft langsam seine Resonanzfrequenz, wobei er auf einen schwachen Überschuss an Photonen bei der Abstimmung des Hohlraums achtet. Da die Axionmasse unbekannt ist, ist die Suche mühsam – bei jeder Einstellung wird nur ein Bruchteil der Frequenz abgetastet, sodass es Jahre dauert, den gesamten Bereich abzudecken. Das erwartete Signal ist fantastisch schwach, etwa 10⁻²³ Watt, weshalb diese Detektoren quantenbegrenzte Verstärker verwenden, die auf nahezu den absoluten Nullpunkt gekühlt werden.