Axion

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Der Titel dieses Artikels ist mehrdeutig. Weitere Bedeutungen sind unter Axion (Begriffsklärung) aufgeführt.

In der Physik bezeichnet Axion ein hypothetisches Elementarteilchen, das eine Lösung des Problems wäre, dass theoretische Überlegungen zwar eine Verletzung der CP-Symmetrie in der Quantenchromodynamik (QCD) forderten, diese aber nicht beobachtet wurde. Eine solche CP-Verletzung würde für das Neutron ein elektrisches Dipolmoment von bis zu dn ≈ 10−16 e·cm vorhersagen[1], stattdessen wurde selbst bei dn ≤ 10−25 e·cm noch keines gemessen.

Theoretischer Hintergrund[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Im Gegensatz zur schwachen Wechselwirkung sind bei der starken Wechselwirkung die diskreten Symmetrien C (Ladungsumkehr, der Austausch aller Teilchen durch ihre Antiteilchen), P (Parität, Raumspiegelung) und T (Zeitumkehr) ungebrochen. Eine Konsequenz ist das verschwindende elektrische Dipolmoment des Neutrons.

Insbesondere ist damit auch die Kombination CP eine ungebrochene Symmetrie. Die grundlegende Theorie der starken Wechselwirkung, die Quantenchromodynamik, sagt aber, wie zuerst Gerardus ’t Hooft 1976 fand, in Form von nichtstörungstheoretischen Konfigurationen von Vakuumfeldern (Instantonen) einen CP-verletzenden Anteil voraus. Genauer führte Hooft diesen CP-verletztenden nichtstörungstheoretischen Term in der QCD-Wirkung ein, um ein anderes Problem (von Steven Weinberg -Problem genannt) zu lösen,[2][3] handelte sich damit aber ein neues Problem ein, das als Starkes CP-Problem (strong CP problem) bekannt wurde. Der Zusatzterm zur Lagrangedichte von Hooft hatte einen Vakuumwinkel als Parameter und das Problem war zu erklären, warum dieser so klein war.[4] Roberto Peccei und Helen Quinn schlugen die Existenz einer zusätzlichen globalen, spontan gebrochenen chiralen Symmetrie vor (Peccei-Quinn-Symmetrie), die den Vakuumwinkel zum verschwinden bringt.[5] Diese neue Symmetrie muss spontan gebrochen sein und führt über das Goldstonetheorem zu einem neuen Nambu-Goldstone-Boson. Dieses neue leichte, schwach wechselwirkende Teilchen nannte Frank Wilczek 1978 nach dem amerikanischen Waschmittel Axion (unabhängig führte es Steven Weinberg ein).

Es gibt zum einen das Modell des stärker wechselwirkenden KSVZ[6]-Axions und zum anderen das des weniger stark wechselwirkenden DFSZ[7]-Axions.

Falls Axionen einen Großteil der dunklen Materie darstellen, ergaben Gitter-QCD-Berechnungen zur Masse der Axionen Massewerte von 50 bis 1500 Mikroelektronenvolt - und damit bis zu Zehnmilliarden Mal leichter als das Elektron.[8][9]

Kandidat für dunkle Materie[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Axionen werden, neben den Neutrinos und den ebenfalls nur postulierten WIMPs und MACHOs, als mögliche Kandidaten zur Lösung des Problems der dunklen Materie gehandelt (Frank Wilczek, Mark Wise, John Preskill 1983).

Nachweisexperimente[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Diverse Experimente versuchen mit verschiedenen Methoden, Axionen nachzuweisen. Bislang (2014) konnten keine Axionen gefunden werden.

Laborexperimente[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Bei den Laborexperimenten handelt es sich um „Licht durch die Wand“-Experimente, bei denen ein Laserstrahl ein Magnetfeld passiert und danach durch eine Wand blockiert wird. Auf der anderen Seite der Wand befindet sich ein auf dem Strahl senkrecht stehendes Magnetfeld gleicher Stärke und am Ende dieses Feldes ein auf die Laserquanten (Photonen) kalibrierter Detektor.

Der Trick besteht darin, dass durch den Primakoff-Effekt mit Hilfe eines virtuellen Photons durch den Magneten vor der Wand ein Axion entstehen soll, das auf der anderen Seite der Wand durch den umgekehrten Effekt wieder in ein Lichtquant übergeht. Das ankommende Licht interagiert mit dem Magnetfeld und fluktuiert in eine andere Form, die sich durch die Wand hindurch ausbreiten kann. Hinter der Wand treten erneut Fluktuationen des neuen Zustands zurück zum ursprünglichen Charakter auf. Teile der Photonen könnten also die Wand „umgehen“, so dass diese detektierbar wären. Ein Nachweis der Photonen hinter der Wand würde das kurzzeitige Vorhandensein des Lichts in Form von Axionen belegen. Veränderungen an den Feldern wirken sich auf die detektierte Lichtmenge aus. Dies würde Rückschlüsse auf die Details der Axion-Umwandlung zulassen.

Helioskope[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Helioskope suchen nach Axionen, die im Sonneninnern entstehen könnten.

Kristalline Detektoren[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Innerhalb eines elektrischen Feldes ist die Axion-Photon-Kopplung kohärent, falls die Bragg-Gleichung erfüllt ist. Bekannte Experimente sind SOLAX, COSME und DAMA.

Primakoff-Teleskope[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Bei den Primakoff-Teleskopen wird durch Nutzung des Primakoff-Effekts nach Axionen gesucht (siehe CAST-Experiment am CERN-Forschungszentrum). Durch den Primakoff-Effekt würde ein Axion in einem äußeren Magnetfeld, z.B. bei CAST im Feld eines LHC-Prototyp-Magneten mit 9 Tesla Stärke, in ein Photon mit Energien im keV-Bereich umgewandelt. Dieses kann dann in Teilchendetektoren wie einer CCD nachgewiesen werden.

Mößbauer-Teleskope[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Hierbei würde das Axion durch resonante Anregung eines Atomkernes nachgewiesen, ähnlich wie die Anregung durch Photonen beim Mößbauer-Effekt. Eine erste Generation des Experiments ist im Aufbau.

Haloskope[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Haloskope suchen nach etwaigen Axionen aus dem Halo der Milchstraße.

ADMX[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Bei der US Large-Scale Axion Search (ADMX)[10] handelt es sich um eine Kollaboration. Beteiligt sind:

Das Experiment ist am Lawrence Livermore National Laboratory aufgebaut. Bei seinem Bau wurden Erfahrungen aus den beiden vorherigen Experimenten, dem University of Florida Experiment und dem Rochester Fermilab Brookhaven Experiment (RBF), berücksichtigt.

Die Ziele des Experiments sind

  • die Güte des Experiments so weit zu steigern, dass sich KSVZ-Axione aus unserem Halo nachweisen lassen und
  • den Massenbereich von 1,3 μeV/c² < ma < 13 μeV/c² komplett zu durchsuchen.

Das ADMX-Experiment benutzt einen sogenannten Sikivie-Detektor. Hierbei wird über den Primakoff-Effekt ein Axion innerhalb eines statischen Magnetfeldes erzeugt. Die erzielbare Wellenlänge des Photons wird dabei durch die Resonanzfrequenz, d.h. die Größe, des Behälters begrenzt: der verwendete Zylinder ist 1 m lang und hat einen Durchmesser von 0,5 m. Das durch einen supraleitenden Solenoid (Elektromagnet) zur Verfügung gestellte Magnetvolumen beträgt B02·V < 11 T2m3.

Literatur[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Originalaufsätze:

  • Gerardus ’t Hooft: Symmetry Breaking through Bell-Jackiw Anomalies, Phys. Rev. Lett., Band 37, 1976, S. 8
  • Gerardus ’t Hooft: Computation of the quantum effects due to a four-dimensional pseudoparticle, Phys. Rev. D, Band 14, 1976, S. 3432, Erratum Band 18, 1978, S. 2199
  • Roberto Peccei, Helen Quinn: CP Conservation in the Presence of Pseudoparticles, Physical Review Letters, Band 38, 1977, S. 1440–1443
  • Roberto Peccei, Helen Quinn: Constraints imposed by CP conservation in the presence of pseudoparticles, Physical Review. D, Band 16, 1977, S. 1791–1797.
  • Steven Weinberg: A New Light Boson ?, Physical Review Letters, Band 40, 1978, S. 223–226
  • Frank Wilczek: Problem of Strong P and T Invariance in the Presence of Instantons, Physical Review Letters, Band 40, 1978, S.279–282
  • John Preskill, Mark Wise, Frank Wilczek: Cosmology of the invisible axion, Physics Letters B, Band 120, 1983, S. 127-132

Bücher:

  • Markus Kuster, et al.: Axions - theory, cosmology, and experimental searches. Springer, Berlin 2008, ISBN 978-3-540-73517-5

Weblinks[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. Der Wert hängt von einem Parameter ab, dem Vakuumwinkel, der von Null bis variiert; das Problem lässt sich auch so formulieren, dass zu erklären ist, warum der Vakuumwinkel verschwindet
  2. Die Lagrangedichte der QCD besitzt im Fall der fast masselosen u, d Quarks (chiraler Grenzfall) eine Symmetrie (U (2) ist die unitäre Matrix in zwei Dimensionen, die die beiden Quarks ineinander transformiert, A steht für axial, V für Vektor), deren axialer Anteil durch Quark-Antiquark-Kondensate im Vakuum spontan gebrochen wird, was zu vier Nambu-Goldstone-Bosonen führt, von denen aber nur drei mit den auf der üblichen Massenskala der QCD fast masselosen Pionen identifiziert werden können, das vierte leichte Goldstoneboson wird nicht beobachtet
  3. Peccei, The strong CP problem and axions, pdf, Vorlesungsfolien, Invisibles 2015 Workshop, Madrid
  4. Der Vakuumwinkel erhält noch einen Beitrag von der schwachen Wechselwirkung aus der Diagonalisierung der Kobayashi-Maskawa Matrix, das Problem bleibt aber bestehen.
  5. Chiral bedeutet hier chirale Transformation der Quarkfelder, also die gleiche Symmetrie die oben als axiale Symmetrie bezeichnet wurde, unter Einführung eines neuen Phasenwinkels
  6. KSVZ ist ein Akronym aus den Namen der Autoren zweier wissenschaftlicher Artikel: J.Kim, Phys. Lett. 43 (1979) 103; M.A.Shifman, A.I.Vainshtein, V.I.Zakharov, Nucl. Phys. B166 (1980) 493
  7. DFSZ ist ein Akronym aus den Namen der Autoren zweier wissenschaftlicher Artikel: M. Dine, W. Fischler, M.Srednicki, Phys. Lett. 104B (1981) 199; A.P.Zhitnitskii: Sov. J. Nucl. Phys. 31 (1980) 260
  8. S. Borsanyi, Z. Fodor, J. Gunther, K.-H. Kampert, S. D. Katz, T. Kawanai, T. G. Kovacs, S. W. Mages, A. Pasztor, F. Pittler, J. Redondo, A. Ringwald & K. K. Szabo: Calculation of the axion mass based on high-temperature lattice quantum chromodynamics, Nature, Band 539, 2016, S. 69-71, Abstract
  9. Supercomputer liefert Steckbrief von Dunkler Materie, Desy, 2. 11. 2016
  10. Webseite zur ADMX (englisch)