Den dunklen Code knacken: Eine Schatzsuche nach einem hypothetischen Teilchen

Dunkle Energie und dunkle Materie werden als „zwei dunkle Wolken am Himmel der Physik im frühen 21. Jahrhundert“ bezeichnet. Gao Yu, ein assoziierter Forscher am Institut für Hochenergiephysik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, und Yang Qiaoli, ein Professor an der Fakultät für Naturwissenschaften und Technik der Universität Jinan, wiesen jedoch beide in einem Interview mit Science and Technology Daily darauf hin, dass Physiker nach Jahren der Forschung zu der Erkenntnis gelangt seien, dass hypothetische Teilchen namens Axionen nicht nur die grundlegenden Symmetrieprobleme der Dunklen Materie und der starken Wechselwirkungen erklären können, sondern auch das Geheimnis der Dunklen Energie und sogar das Ungleichgewicht von Materie und Antimaterie aufklären können.

Da Axionen für die Lösung vieler kosmologischer Rätsel verantwortlich sind, ist die „Schatzsuche“ nach Axionen in vielen Teilen der Welt in vollem Gange.

Was ist das Axion?

Im Jahr 1977 unternahm der Physiker Frank Wilczek einen Routinespaziergang, der das Forschungstempo einiger Wissenschaftler für immer veränderte.

Während dieses Spaziergangs hatte er zwei Ideen. Eine davon ist, wie das theoretische Teilchen, das als Higgs-Boson bekannt wurde, mit anderen Teilchen interagiert; die andere ist die Idee, Axionen als Lösung für ein Problem der theoretischen Physik namens starke Ladungsparität (CP) zu verwenden.

Gao Yu erklärte: „Wilczek nannte ‚Axion‘, basierend auf dem neuen Elementarteilchen, das von theoretischen Physikern zur Lösung der Symmetrietheorie in der Quantenchromodynamik vorhergesagt wurde. Der englische Name ‚Axion‘ ist ein Wortspiel: AXI-ON = Achse + Teilchen. Wilczek dachte, dass eine Waschmittelmarke mit demselben Namen sehr gut geeignet sei, die Eigenschaften des Teilchens zu beschreiben, also wählte er diesen Namen.“

Die Forscher weisen darauf hin, dass Axionen, falls sie existieren, den seltsamen Regeln der Quantenmechanik gehorchen würden. Das bedeutet, dass es sich sowohl um Wellen als auch um Teilchen handeln kann. Als Teilchen wird seine Masse sehr gering sein, etwa das 10-11-10-9-fache der Masse eines Elektrons. Seine makroskopische Wellenlänge ist sogar vergleichbar mit der Breite einer Galaxie, die bis zu 3.000 Lichtjahre beträgt.

Hoffentlich wird es einige Geheimnisse lüften

Die Wissenschaftler führten das Axion ein, weil sie grundsätzlich hofften, dass es sehr schwach sei und somit eine extrem schwache CP-Verletzung darstelle. Dies führt dazu, dass Axionen eine sehr kleine Masse haben und theoretisch fast keine Wechselwirkung mit anderen Teilchen eingehen, was Axionen zu einem idealen Kandidaten für die Dunkle-Materie-Forschung macht, da diese Eigenschaften genau dieselben sind wie die der Dunklen Materie.

„Der Grund, warum dunkle Materie dunkel ist, liegt darin, dass sie kaum mit Licht interagiert. Sie reflektiert weder Licht noch erzeugt sie Licht. Dies entspricht genau den Eigenschaften der schwachen Wechselwirkung von Axionen“, sagte Yang Qiaoli.

Das frühe Universum war mit viel Energie gefüllt. Als das Universum weiter abkühlte, begann das Axionenfeld zu schwingen und setzte Energie in Form von pulsierendem Licht und Wärme frei. Die von diesen Schwingungen getragene Energiedichte entwickelte sich genau wie die dunkle Materie.

Yang Qiaoli erklärte: „Wenn die Masse des Axions sehr gering ist, kann das Alter des Universums sogar geringer sein als die Zeit, die das Axionfeld für eine Schwingung benötigt. Daher kann das Axion als eine Art dunkle Energie betrachtet werden. Je stärker sich das Universum ausdehnt, desto größer ist die Energie des Axionfelds, was das Universum zu weiterer Ausdehnung antreiben kann.“

Axionen versprechen außerdem, Hinweise auf zwei weitere Geheimnisse des Universums zu liefern. Erstens gibt es die Hubble-Konstantenkrise. Die Hubble-Konstante, die Wissenschaftler durch die Kombination von Messungen der kosmischen Mikrowellenhintergrundstrahlung mit dem aktuellen Standardmodell der Kosmologie abgeleitet haben, ist durchweg deutlich niedriger als die auf der Grundlage von Supernovas des Typs Ia und anderen astrophysikalischen Markern beobachtete Konstante. Wissenschaftler sagen voraus, dass, wenn bestimmte Axion-ähnliche Teilchen im frühen Universum existierten, diese die auf der kosmischen Mikrowellenhintergrundstrahlung basierenden Vorhersagen ändern und dadurch die Hubble-Konstantenkrise beseitigen könnten.

Das zweite ist das Rätsel des Ungleichgewichts von Materie und Antimaterie. Bei der Entstehung des Universums hätten gleiche Mengen an Materie und Antimaterie entstehen müssen, die sich unmittelbar nach ihrer Begegnung gegenseitig vernichten sollten. Tatsächlich aber nahm die Materie die dominierende Stellung ein. In einem 2020 in Physical Review Letters veröffentlichten Artikel wurde darauf hingewiesen, dass zu Beginn des Urknalls die Bewegung des Axionenfelds ein Ungleichgewicht zwischen Materie und Antimaterie erzeugen könnte, wodurch das Universum, das sich bis heute entwickelt hat, weitaus mehr Materie als Antimaterie enthält, so dass alle Dinge aus dem Axionenfeld entstanden sein könnten.

Die „Jagd“-Operation hat verschiedene Tricks

Das Aufspüren von Axionen ist eine große Herausforderung, da sie kaum mit anderen Teilchen interagieren und eine extrem geringe Masse besitzen. Die Suche nach ihnen hat jedoch bereits begonnen.

Das derzeit größte Experiment ist das Axion Dark Matter Experiment (ADMX) an der University of Washington in den USA, dessen Ziel es ist, mithilfe von Magnetfeldern Axionen einzufangen, die in Photonen zerfallen. Theoretisch können Axionen im Universum in einer von supraleitenden Magneten umgebenen Mikrowellenkavität in Mikrowellenphotonen mit niedriger Energie umgewandelt werden. Die Mikrowellenphotonen werden durch die Kavität verstärkt und dann vom Detektor erfasst.

Das „Axion Solar Telescope“ am CERN verfolgt einen anderen Ansatz und nutzt ein Röntgenteleskop, um von der Sonne erzeugte Axionen zu erkennen. Der Kernreaktionsprozess in der Sonne erzeugt eine Vielzahl von Teilchen wie Neutrinos und hochenergetische Photonen. Es können auch Axionen erzeugt werden, und die kinetische Energie der erzeugten Axionen ist extrem hoch. Die Energie der bei ihrer Umwandlung entstehenden Photonen liegt im Röntgenbereich und kann mit einem Röntgenteleskop beobachtet werden.

Darüber hinaus können Axion-Photon-Schwingungen die Form des Energiespektrums ferner Sterne verändern, und ihre „Hinweise“ können in hochpräzisen oder energiereichen astronomischen Beobachtungen erfasst werden, wie sie etwa mit dem Hartröntgenmodulationsteleskop meines Landes, dem sphärischen Radioteleskop mit einer Öffnung von 500 Metern, dem All-Sky-Monitor-Satelliten mit hochenergetischen elektromagnetischen Gegenstücken zu Gravitationswellenausbrüchen und dem Höhenobservatorium für kosmische Strahlung möglich sind.

In den letzten Jahren sind verschiedene neue kleine Experimente entstanden, die sich die große Bandbreite der Axionmassen zunutze machen. An der Universität Sheffield in Großbritannien wird im Jahr 2024 ein neues Experiment mit dem Namen „Hidden-Region Quantum Sensing“ starten. Im Vergleich zu anderen Experimenten zur Axionensuche kann dieses bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt durchgeführt werden, wodurch das Experiment quasi quantenmechanisch wird und daher empfindlicher als andere Experimente sein dürfte.

Yang Qiaoli sagte, dass es bei den zunehmend ausgereiften Axionen noch einen breiten Parameterraum zu erforschen gebe. Weltweit führende Universitäten und Forschungseinrichtungen wie das Massachusetts Institute of Technology und die Yale University in den USA, das italienische Nationale Institut für Kernphysik und das Korea Center for Axion and Precision Physics betreiben aktiv entsprechende Forschung.

Sowohl Gao Yu als auch Yang Qiaoli sind davon überzeugt, dass die von ADMX repräsentierte experimentelle Resonanzhohlraumtechnologie zu einem Boom bei der internationalen Suche nach Axionen aus dunkler Materie geführt hat. Derzeit verfügt China über die experimentellen Voraussetzungen, um zum internationalen Spitzenniveau aufzuschließen. Zahlreiche Nachweisverfahren, wie etwa die Spinmagnetmessung und verschiedene Resonanzhohlräume, werden aktiv gefördert. Bei einigen dieser Verfahren handelt es sich um eigenständige, in China vorgeschlagene Originalverfahren.