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Lexikon der Astronomie: Axion

Das Axion ist hypothetisches Elementarteilchen. In der Sprache der Teilchenphysiker ist es ein pseudo-skalares Spin-0 Boson, das 1977 im Rahmen des Peccei-Quinn-Modells eingeführt wurde, um die Brechung einer zusätzlichen chiralen Symmetrie, der Peccei-Quinn-Symmetrie, zu erklären. Das mag sich für den Laien schlimm anhören, aber es tut nicht weh.

Warum schon wieder eine neue Symmetrie?

Mit dieser neuen Symmetrie würde das so genannte Theta-Problem gelöst: Im Experiment findet man ein sehr kleines elektrisches Dipolmoment des Neutrons, das mit einem Winkelparameter Theta skaliert. Es stellt sich heraus, dass Theta sehr klein, nahe null ist, obwohl es theoretisch sehr viel größere Werte annehmen könnte. Das Peccei-Quinn-Modell erklärt nun diese Kleinheit, dafür handelt man sich allerdings das Axion ein, das bisher noch nicht nachgewiesen werden konnte.
Axion-Photon-Oszillation Sollte es existieren, gibt es jedoch starke Restriktionen für die Eigenschaften des Axions. Man nimmt an, dass das Axion dem Pion sehr ähnlich ist. Es werden Axion-Pion-Oszillationen angenommen, die es dem Axion ermöglichen in Pionen zu konvertieren (und umgekehrt). Der Hauptzerfallskanal (98.8%) von dem neutralen Pion sind zwei Gammaquanten. Dies legt nahe, dass für das Axion ähnliche Feynman-Diagramme existieren. In der Tat nimmt man auch Axion-Photon-Oszillationen an, wo sich ein Axion unter dem Einfluss eines Magnetfeldes in zwei Photonen umwandelt. Dieser Primakoff-Effekt dient als hauptsächlicher Mechanismus, um zu versuchen, Axionen nachzuweisen.

Axionen von der Sonne?

In der Sonne sollten unter obigen Prämissen solare Axionen aus dem Photonenbad im Innern der Sonne erzeugt werden. Dabei übernehmen die Axionen im Wesentlichen die thermische Energieverteilung der Photonen, die erwartungsgemäß bei etwa 4 keV ihr Maximum annimmt. Mithilfe von Axion-Helioskopen versucht man diese nachzuweisen, was bisher nicht gelang.

Axionen von anderen kosmischen Quellen?

Daneben erwartet man auch andere kosmische Quellen von Axionen bzw. axionen-induzierten Photonen, wie Supernovae, Rote Riesen bzw. Sterne generell und das Galaktische Halo der Milchstraße. Diese potenziellen Quellen geben Beschränkungen für die Axionmasse: die berühmte Supernova SN 1987a in der Großen Magellanschen Wolke liefert einen Maximalwert von 10-3 eV aus den Breiten empfangener Neutrinos. Hingegen legt die Kosmologie nahe, dass die Axionmasse nicht unterhalb von etwa 10-6 eV liegen darf, damit nicht die kritische Dichte des Universums überschritten wird und die kosmische Expansion umgekehrt wird.

Masse des Axions

Insgesamt ergibt sich also aus rein astrophysikalischen Überlegungen ein Massenbereich für das Axion von 10-6 und 10-3 eV. Es handelt sich also um ein sehr leichtes Teilchen. In signifikanter Zahl wäre das Axion jedoch von kosmologischem Interesse, weil es in Form hadronischer kalter Dunkler Materie zur Masse des Universums beitragen könnte.
Photonfrequenzen aus Axionmassen via Oszillation Bei der Emission axion-induzierter Photonen aus dem Galaktischen Halo ist bei angenommenem Mittelwert für die Axionmasse Strahlung im Bereich der Mikro- und Radiowellen zu erwarten (siehe rechte Gleichung).

Axion nix SUSY!

Um Verwechslungen auszuschließen, sei darauf hingewiesen, dass das Axion kein SUSY-Teilchen ist!

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  • Die Autoren
- Dr. Andreas Müller, München

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