Seit Jahrzehnten machen Physikerinnen und Physiker Jagd auf mysteriöse Teilchen namens Axionen. Diese könnten viele Rätsel unseres Universums erklären, etwa die Dunkle Materie oder warum die starke Kernkraft so symmetrisch ist. Das Problem: Axionen könnten in unserer Sonne entstehen, werden es aber kaum bis zu unseren Detektoren schaffen – und tatsächlich fehlt bis heute jede Spur von ihnen. Diese Schwierigkeit griff der Physiker David Saltzberg auf, als er für die Comedyserie »The Big Bang Theory« als wissenschaftlicher Berater tätig war.

Während sich die ersten zwei Folgen der fünften Staffel um Leonard Hofstadters Beziehungsdramen drehen, können Nerds auf dem Whiteboard im Hintergrund ein ganz anderes Drama verfolgen. Darauf finden sich Formeln und Diagramme, die eine mögliche Lösung zum Nachweis von Axionen bieten. Was wäre, wenn man nicht den Axionen in der Sonne nachjagt, sondern sich stattdessen auf Fusionsreaktoren auf der Erde konzentriert? Aber in der nachfolgenden dritten Folge offenbart Saltzberg seinen Denkfehler: Er hatte eine falsche Annahme getroffen, sein Ansatz erwies sich als unmöglich, was er durch einen traurigen Smiley markierte.

Nun hat allerdings ein Team um den Physiker Jure Zupan von der University of Cincinnati in der Fachzeitschrift »Journal of High Energy Physics« eine Möglichkeit vorgestellt, um Saltzbergs Idee doch in die Tat umzusetzen. Denn die Fachleute erkannten, dass bislang unbeachtete Prozesse innerhalb der Fusionsreaktoren wichtige Hinweise über die möglichen Eigenschaften von Axionen liefern können.

Neue Teilchen als Hoffnungsträger

Der Nobelpreisträger Frank Wilczek postulierte in den 1970er-Jahren erstmals die mögliche Existenz neuartiger Teilchen, die er als Axionen bezeichnete. Diese sollten erklären, warum sich die Teilchen und Antiteilchen der starken Kernkraft, also Quarks und Gluonen, offenbar gleich verhalten – etwas, was dem beobachteten Überschuss an Materie widerspricht. Wilczek erkannte, dass zusätzliche Teilchen mit bestimmten Eigenschaften eine derartige Symmetrie erzwingen würden. Und besser noch: Da diese hypothetischen Teilchen keine elektrische Ladung besitzen und extrem leicht sind, bieten sie sich auch als Kandidaten für »Dunkle Materie« an, jene rätselhafte Substanz, die rund ein Viertel der Gesamtmasse unseres Universums ausmacht.

Je nachdem, welche genauen Eigenschaften Axionen haben, könnten sie sogar für die explosionsartige Ausdehnung unseres Kosmos während des Urknalls verantwortlich sein. In diesem Fall würden sie jedoch als Erklärung für die Symmetrie der starken Kernkraft entfallen, weil die Merkmale nicht mehr dazu passen. So oder so: Axionen sind für viele Fachleute Hoffnungsträger, um einige der hartnäckigsten Rätsel unserer Welt zu knacken. Allerdings muss man sie noch nachweisen.

Axionen-Modelle sagen voraus, dass die Teilchen in sehr dichten und heißen Umgebungen entstehen, wie sie etwa im Inneren der Sonne auftreten. Dort ist es rund 13 Millionen Grad Celsius heiß und es herrschen große Drücke – ideale Voraussetzungen, um eine messbare Menge an Axionen hervorzubringen. Da diese so leicht sind und keine Ladung besitzen, sollten die meisten problemlos aus der Sonne entweichen können. Von dort könnten einige zur Erde gelangen, wo Detektoren sie aufspüren sollen. In starken, gleichförmigen Magnetfeldern zerfallen Axionen den Modellen zufolge in Photonen im Röntgenbereich. Doch bislang hat niemand eine derartige Röntgenstrahlung von der Sonne nachgewiesen.

Das heißt aber nicht, dass Axionen nicht existieren. Tatsächlich stehen die Chancen, ein Axion nachzuweisen, denkbar schlecht. So wurde berechnet, dass nur eines von rund 10²⁵ in der Sonne produzierten Axionen überhaupt in einem Detektor auf der Erde landen würde – und dann wird es nicht einmal zwangsweise in Röntgenstrahlung umgewandelt.

Eine Sonne auf der Erde

Inzwischen bauen wir die Sonne aber auf der Erde nach. In unserem Zentralgestirn verschmelzen Wasserstoffatome zu Helium. Gleiches setzen Forschende inzwischen – zumindest kurzzeitig – in Fusionsreaktoren um. Deshalb überlegte sich Saltzberg, als er auf der Suche nach einem aktuellen Forschungsthema für die Serie »The Big Bang Theory« war, wie man Axionen in diesen Reaktoren nachweisen könnte. Zwar sei die Leistung innerhalb heutiger Fusionsreaktoren erheblich geringer als die der Sonne, doch dafür könne man die Detektoren viel näher platzieren, erklärte er in einem Blogbeitrag: »Die Zahlen sahen richtig gut aus.« Er kam zu dem Ergebnis, dass der Nachweis von Axionen in Fusionsreaktoren deutlich besser funktionieren könnte, als den von der Sonne emittierten Teilchen nachzuspüren. Das könnte ein neuer Forschungsansatz sein, der live in einer Fernsehserie vorgestellt wird.

»Ich machte einen furchtbaren, furchtbaren Fehler«, schrieb Saltzberg. Denn tatsächlich sind die Abläufe im Inneren der Sonne nicht identisch mit denen, die sich in Fusionsreaktoren abspielen. In der Sonne dauert es sehr lange, bis die einzelnen Kerne fusionieren und ihre Energie abgeben – diese Zeit hat man bei Fusionsreaktoren aber nicht, weshalb dort eine Abkürzung gewählt wird. Die Prozesse spielen sich daher statt mit einzelnen Protonen mit Deuterium und Tritium ab. Das beeinflusst die Entstehung von Axionen; und Saltzberg musste seine ursprüngliche Prognose deutlich nach unten korrigieren. Seine Idee schien plötzlich gar nicht mehr vielversprechend.

Ohne von diesem Fehlversuch zu wissen, hat sich ein Team um Zupan mit der gleichen Idee beschäftigt und nach einem Weg gesucht, um Axionen in Fusionsreaktoren nachzuweisen. Und wie sie in ihrer im Oktober 2025 erschienenen Facharbeit berichten, könnten sich in bereits jetzt verfügbaren Reaktoren Hinweise auf die mysteriösen Teilchen finden lassen.

Anders als in der Sonne entsteht in Fusionsreaktoren ein Strudel aus Neutronen, die mit den Wänden des Reaktors wechselwirken. In manchen Aufbauten sind diese mit Lithium beschichtet, die mit einigen der Neutronen zu Tritium reagieren. Dabei könnten aber auch Axionen entstehen, argumentieren die Physiker. Zudem können die Neutronen auch an anderen Teilchen im Reaktor abprallen und dabei die hypothetischen Teilchen erzeugen. Wenn man diese Produktionsmechanismen (die in der Sonne nicht vorhanden sind) beachtet, dann scheint ein Nachweis nicht mehr allzu unrealistisch.

»Die Wahrscheinlichkeit, dass neue Teilchen von der Sonne erzeugt werden, die zur Erde strömen, ist größer als die Wahrscheinlichkeit, dass sie in Fusionsreaktoren unter Verwendung derselben Prozesse wie in der Sonne erzeugt werden«, sagt Zupan – eine Tatsache, auf die auch Saltzberg gestoßen war. »Man kann sie jedoch auch durch andere Prozesse in Reaktoren erzeugen«, und das erhöht die Wahrscheinlichkeit einer Messung drastisch. Demnach könnten schon heutige Fusionsreaktoren die möglichen Eigenschaften der hypothetischen Teilchen einschränken.