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Physik: Eine Falle für Axionen

Der Großteil der Materie des Weltalls ist unsichtbar. Als Erklärung dafür vermuten einige Forscher äußerst massearme Teilchen – die zudem noch ein weiteres physikalisches Rätsel lösen könnten. Ein ambitioniertes Experiment sucht nach ihnen und befindet sich nun in der entscheidenden Phase.
Ultraleichte Dunkle Materie?Laden...

Der Kosmos besteht zum Großteil aus einem unsichtbaren Stoff. Bereits in den 1930er Jahren sind Astronomen zu dem Schluss gekommen, dass Galaxienhaufen auseinanderfliegen müssten, hielte sie nicht irgendeine Art unsichtbarer »Dunkler Materie« zusammen. In den 1970er Jahren begannen Wissenschaftler, sich ernsthafter mit der Idee auseinanderzusetzen. Denn zu dieser Zeit ergaben Untersuchungen der Rotation von Galaxien den gleichen Befund. Inzwischen scheint die Erkenntnis unausweichlich: Der weitaus größte Teil der stofflichen Substanz des Universums, die der Schwerkraft ausgesetzt ist, muss aus einer unbekannten Materieform bestehen. Das könnten etwa Elementarteilchen sein, die vom Urknall übrig geblieben sind und sich noch in keinem Experiment gezeigt haben.

Lange Zeit galten schwach wechselwirkende und massereiche Teilchen (WIMPs, englisch: weakly interacting massive particles) als die besten Kandidaten dafür. Denn sie passten in die beliebte, wenn auch spekulative Theorie der Supersymmetrie, nach der jedes der bekannten Teilchen einen noch unentdeckten Partner hat. Doch trotz jahrzehntelanger Suche in zahlreichen Laboren auf der Erde ist in keinem der empfindlichen Detektoren ein WIMP aufgetaucht. Es mag zwar zu früh sein, um den Ansatz völlig aus dem Rennen zu nehmen, doch das Ausbleiben von Erfolgen hat die Aufmerksamkeit verstärkt auf alternative Erklärungen für die Dunkle Materie gelenkt.

Ein solcher, weniger bekannter Kandidat ist das Axion. Das hypothetische Teilchen besitzt eine wesentlich geringere Masse als WIMPs, interagiert aber ebenfalls kaum mit gewöhnlicher Materie. Wenn Dunkle Materie aus Axionen besteht, müssten diese Teilchen entsprechend zahlreich vorkommen: In jedem Kubikzentimeter um uns herum müssten sich dutzende oder sogar hunderte Billionen Axionen befinden. Das Universum würde ihre Anwesenheit nur über die Gravitationskraft der Teilchen spüren, die sich auf großen räumlichen Abständen aufsummiert und die Galaxien und Galaxienhaufen zusammenhält ...

März 2019

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum der Wissenschaft März 2019

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  • Quellen

ADMX Collaboration: Search for Invisible Axion Dark Matter with the Axion Dark Matter Experiment. In: Physical Review Letters 120, 151301, 2018

Sikivie, P.: Axions, Domain Walls, and the Early Universe. In: Physical Review Letters 48, S. 1156–1159, 1982

Weinberg, S.: A New Light Boson? . In: Physical Review Letters 40, S. 223–226, 1978

Wilczek, F.: Problem of Strong P and T Invariance in the Presence of Instantons. In: Physical Review Letters 40, S. 279–282, 1978