Auf der Suche nach dem Axion, einem hypothetischen Elementarteilchen

Schon seit einiger Zeit denken Physiker über ein Elementarteilchen nach, das sehr wenig Masse, keine elektrische Ladung und keinen Spin (quantenphysikalischen Drehimpuls) besitzt. Es würde mit anderen Teilchen wegen dieser Eigenschaften sehr wenig interagieren und wäre deshalb ein guter Kandidat für die Dunkle Materie, die sich genau dadurch auszeichnet. Aber das Axion wird auch in der Physik gebraucht, weil im Neutron, einem neutralen Kernteilchen, die Ladung der Quarks, aus denen es sich zusammensetzt, so perfekt verteilt ist, dass dem Neutron nach außen hin gar nicht anzumerken ist, dass in seinem inneren sich ausgleichende Ladungen stecken.

Physikalisch ausgedrückt: Das Neutron müsste eigentlich ein elektrisches Dipolmoment besitzen, das aber nicht messbar ist. Das kann zwei Ursachen haben: Die Quantenchromodynamik ist falsch, aus der sich das Dipolmoment ergibt. Dagegen spricht, dass sie ansonsten ziemlich gut funktioniert. Oder es gibt noch ein zusätzliches Elementarteilchen, eben das Axion. Dagegen spricht, dass man es bisher noch nicht aufspüren konnte.

Bisher. Eine neue Studie, die von einem theoretischen Physiker am Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) des US-Energieministeriums geleitet wurde, legt nun nahe, dass Axionen die Quelle von unerklärlichen, hochenergetischen Röntgenemissionen sein könnten, die eine Gruppe von Neutronensternen umgeben. Erstmals in den 1970er-Jahren theoretisiert, erwarten die Physiker, dass Axionen im Kern von Sternen erzeugt werden und sich in Gegenwart eines Magnetfeldes in Lichtteilchen (Photonen) umwandeln.

Eine Ansammlung von Neutronensternen, bekannt als die Magnificent 7, liefert ein hervorragendes Testfeld für die mögliche Anwesenheit von Axionen, da diese Sterne starke Magnetfelder besitzen, relativ nah sind – innerhalb von Hunderten von Lichtjahren – und nur niederenergetische Röntgenstrahlung und ultraviolettes Licht erzeugen sollten. In diesem Fall konnten die Forscher allerdings hochenergetische Röntgenemissionen nachweisen, deren Quelle unklar ist.

„Sie sind dafür bekannt, sehr ‚langweilig‘ zu sein, und in diesem Fall ist das eine gute Sache“, sagt Benjamin Safdi von der Berkeley Lab Physics Division Theoriegruppe, der eine Studie leitete, die am 12. Januar in der Zeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht wurde und die Axion-Erklärung für den Überschuss detailliert beschreibt.

Wenn es sich bei den Neutronensternen um einen Typ handelt, der als Pulsar bekannt ist, hätten sie eine aktive Oberfläche, die Strahlung bei verschiedenen Wellenlängen abgibt. Diese Strahlung würde sich im gesamten elektromagnetischen Spektrum zeigen, so Safdi, und könnte die von den Forschern gefundene Röntgensignatur übertönen, oder sie würde hochfrequente Signale erzeugen. Aber die Magnificent 7 sind keine Pulsare, und es wurde kein solches Radiosignal entdeckt. Andere gängige astrophysikalische Erklärungen scheinen den Beobachtungen ebenfalls nicht standzuhalten, so Safdi.

Safdi und seine Mitarbeiter sagen, dass es immer noch möglich ist, dass eine neue Erklärung für den beobachteten Röntgenüberschuss auftaucht. Sie bleiben jedoch hoffnungsvoll, dass eine solche Erklärung außerhalb des Standardmodells der Teilchenphysik liegen wird und dass neue boden- und weltraumgestützte Experimente den Ursprung des hochenergetischen Röntgensignals bestätigen werden.

„Wir sind ziemlich zuversichtlich, dass dieser Überschuss existiert, und sehr zuversichtlich, dass es etwas Neues ist,“ sagt Safdi. „Wenn wir 100% sicher wären, dass das, was wir sehen, ein neues Teilchen ist, wäre das großartig. Das wäre revolutionär in der Physik.“ Selbst wenn sich herausstellt, dass die Entdeckung nicht mit einem neuen Teilchen oder Dunkler Materie zusammenhängt, sagt er: „Es würde uns so viel mehr über unser Universum sagen, und es gäbe eine Menge zu lernen.“

Raymond Co, ein Postdoktorand der University of Minnesota, der an der Studie mitgearbeitet hat, sagt: „Wir behaupten nicht, dass wir schon die Entdeckung des Axions gemacht haben, aber wir sagen, dass die zusätzlichen Röntgenphotonen durch Axionen erklärt werden können. Es ist eine aufregende Entdeckung des Überschusses in den Röntgenphotonen, und es ist eine aufregende Möglichkeit, die bereits mit unserer Interpretation von Axionen übereinstimmt.“

Der nächste Schritt wäre es dann, Weiße Zwergsterne zu untersuchen. Sie wären ein hervorragender Ort für die Suche nach Axionen, weil sie ebenfalls sehr starke Magnetfelder haben, aber röntgenstrahlenfrei sind. Safdi zeigt sich auch begeistert von bodengebundenen Experimenten wie CAST am CERN, das als Sonnenteleskop arbeitet, um Axionen zu entdecken, die durch einen starken Magneten in Röntgenstrahlen umgewandelt werden, und ALPS II in Deutschland, das ein starkes Magnetfeld nutzt, um Axionen zu veranlassen, sich auf einer Seite einer Barriere in Lichtteilchen umzuwandeln, wenn Laserlicht auf die andere Seite der Barriere trifft.

Generell erhalten Axionen im Moment einige Aufmerksamkeit, da eine Reihe von Experimenten keine Anzeichen von WIMPs (weakly interacting massive particle), einem anderen vielversprechenden Kandidaten für Dunkle Materie, finden konnten. Das Bild, das sich die Physik derzeit von Axionen macht, ist allerdings nicht eindeutig. Es könnte sich tatsächlich um ein ganzes Familienalbum handeln: Es könnte Hunderte von Axion-ähnlichen Teilchen (axion-like particles oder ALPs) geben, die die Dunkle Materie ausmachen, und die Stringtheorie – eine Kandidatentheorie zur Beschreibung der Kräfte des Universums – hält die mögliche Existenz vieler Arten von ALPs offen.

Künstlerische Darstellung des Weltraumteleskops XMM-Newton (X-ray multi-mirror mission). Eine Studie von Archivdaten der Weltraumteleskope XMM-Newton und Chandra fand Hinweise auf eine hohe Röntgenemission von den nahegelegenen Magnificent-Seven-Neutronensternen, die möglicherweise von hypothetischen Teilchen, den sogenannten Axionen, herrühren. (Bild: D. Ducros; ESA/XMM-Newton, CC BY-SA 3.0 IGO)

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BrandonQMorris
  • BrandonQMorris
  • Brandon Q. Morris, 54, ist Physiker und beschäftigt sich beruflich und privat schon lange mit den spannenden Phänomenen des Alls. So ist er für den redaktionellen Teil eines Weltraum-Magazins verantwortlich und hat mehrere populärwissenschaftliche Bücher über Weltraum-Themen geschrieben. Er wäre gern Astronaut geworden, musste aber aus verschiedenen Gründen auf der Erde bleiben. Ihn fasziniert besonders das „was wäre, wenn“. Sein Ehrgeiz ist es deshalb, spannende Science-Fiction-Geschichten zu erzählen, die genau so passieren könnten – und vielleicht auch irgendwann Realität werden.