Axion

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

In der Physik bezeichnet Axion ein hypothetisches Elementarteilchen, auf dessen mögliche Existenz man in der Quantenchromodynamik durch das Problem der elektrischen Neutralität des Neutrons gestoßen ist. Dieses starke CP-Problem ergibt sich daraus, dass es gemäß eines speziellen Vakuumterms zu Quantenfluktuationen der elektrischen Felder des Neutrons kommen kann. Dadurch müsste ein elektrisches Dipolmoment von $ d_n\approx10^{-16}~\mathrm{e \cdot cm} $ existieren, stattdessen wurde selbst bei $ d_n\leq10^{-25}~\mathrm{e \cdot cm} $ noch keins gemessen.

Theoretischer Hintergrund

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, obwohl die Quantenchromodynamik einen CP-verletzenden Anteil in der Wirkung enthält. Dies ist als Starkes CP-Problem (strong CP problem) bekannt. Eine Lösung bietet die Peccei-Quinn-Weinberg-Wilczek-Theorie um den Preis eines neuen, leichten, schwach wechselwirkenden Teilchens, das Frank Wilczek nach dem amerikanischen Waschmittel Axion benannte.

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

Kandidat für dunkle Materie

Axionen werden, neben den Neutrinos und den ebenfalls nur postulierten WIMPs und MACHOs, als mögliche Kandidaten zur Lösung des Problems der dunklen Materie gehandelt.

Nachweisexperimente

Laborexperimente

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 Magnet-Feld gleicher Stärke und am Ende dieses Feldes ein auf die Laserquanten (Photonen) geeichter 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 über die Wand hinaus 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 automatisch auf die detektierte Lichtmenge aus. Dies würde Rückschlüsse auf die benutzte Axion-Menge zulassen.

Helioskope

Kristalline Detektoren

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

Bei den Primakoff-Teleskopen wird durch Nutzung des Primakoff-Effekts nach Axionen gesucht (siehe CAST-Experiment am CERN-Forschungszentrum). Durch den Primakoff-Effekt wird 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

Hierbei wird 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

ADMX

Bei der US Large-Scale Axion Search (ADMX)[1] 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.
  • Den Massenbereich von 1,3 μeV/c² < ma < 13 μeV/c² komplett zu detektieren.

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 $ B^2_0V<11~\mathrm{T}^2\mathrm{m}^3 $.

Literatur

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

Weblinks

Einzelnachweise

  1. Webseite zur ADMX (englisch)

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