Axion

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. Das Problem ergab sich, da es gemäß eines speziellen Vakuumterms der Quantenchromodynamik zu Quantenfluktuationen der elektrischen Felder des Neutrons kommen kann und dadurch ein elektrisches Dipolmoment von $d_n\approx10^{-16}~\mathrm{e \cdot cm}$ existieren müsste. Stattdessen wurde selbst bei $d_n\leq10^{-25}~\mathrm{e \cdot cm}$ noch kein elektrisches Dipolmoment gemessen.

Das Problem wird auch als starkes CP-Problem bezeichnet.

Theoretischer Hintergrund

Im Gegensatz zur schwachen Wechselwirkung sind bei der starken Wechselwirkung die diskreten Symmetrien C (Ladungsumkehr, das Austauschen 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 verschiedene Modelle des Axions, 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.

Axionexperimente

Man teilt die Experimente, die Axione nachweisen sollen, in drei Gruppen ein: Laborexperimente, Helioskope und Haloskope.

Laborexperimente

„Licht durch die Wand“-Experimente

Bei den Laborexperimenten handelt es sich um „Licht durch die Wand“-Experimente, wobei 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 B-Feld (Magnetische Flussdichte) gleicher Stärke und ein auf die Laserquanten (Photonen) geeichter Detektor am Ende des Feldes. Der Trick des Experiments 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 des elektrischen Feldes, wie es bei kristallenen Detektoren vorgehalten wird, ist (falls die Bragg-Gleichung erfüllt ist) die Axion-Photon-Kopplung kohärent. 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, beispielsweise bei CAST im Feld eines LHC-Prototyp Magneten mit 9 Tesla Feldstärke in ein Photon umgewandelt. Das Photon mit Energien im keV-Bereich kann dann in Teilchendetektoren wie einer CCD nachgewiesen werden.

Mößbauer-Teleskope

Hierbei wird das Axion durch resonante Anregung eines Atomkernes (ähnlich wie die Anregung durch Photonen beim Mößbauer-Effekt) nachgewiesen. Eine erste Generationen 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 Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL),
• das Massachusetts Institute of Technology (MIT),
• die University of Florida (UF),
• das Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL),
• das Fermi National Accelerator Laboratory (FNAL),
• die University of Chicago und
• das Vereinigte Institut für Kernforschung (Institute for Nuclear Research), Moskau.

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 $1{,}3~\mu\mathrm{eV} < m_a < 13~\mu\mathrm{eV}$ 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 erzeugte Wellenlänge wird durch die Größe des Behälters begrenzt. Die erzielbare Wellenlänge des Photons wird dabei durch die Resonanzfrequenz des Behälters begrenzt. Der verwendete Zylinder ist 1 m lang und besitzt 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

• Artikel zum Experiment des Lawrence Livermore National Laboratory (PDF-Datei, englisch) (1,97 MB)
• Artikel in deutscher Sprache zum ALPS-Experiment am DESY in Hamburg
• DLF Bericht zur Suche nach Axionen am DESY

Einzelnachweise

1. ↑ Webseite zur ADMX (englisch)