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Axionen: Verzweifelt gesuchtes Teilchen in Festkörper aufgetaucht

Axionen sind eine der großen Hoffnungen der Teilchenphysik, die Elementarteilchen könnten die Dunkle Materie erklären. Nun haben Forscher etwas aufgespürt, das verblüffende Parallelen mit dem Sehnsuchtsteilchen aufweist.
Quasiteilchen IllustrationLaden...

Das Axion ist eine der großen Hoffnungen der Teilchenphysik: Das extrem leichte Elementarteilchen könnte der Stoff sein, aus dem die rätselhafte Dunkle Materie besteht. Seit einigen Jahren rücken die flüchtigen Elementarteilchen mehr und mehr in den Fokus von Dunkle-Materie-Jägern – auch weil massereichere Kandidatenteilchen, so genannte WIMPs, bisher nicht aufgetaucht sind.

Nun könnten Physiker immerhin ein so genanntes Quasiteilchen mit den Eigenschaften eines Axions aufgespürt haben, wie eine Forschergruppe um Johannes Gooth vom Max-Planck-Institut für Chemische Physik fester Stoffe in »Nature« berichtet. Quasiteilchen sind keine echten Elementarteilchen, sondern Mehr-Teilchen-Zustände in Festkörpern, die sich mathematisch als ein einzelnes Teilchen beschreiben lassen. Ein bekanntes Beispiel sind die so genannten Phononen, mit denen sich die wellenartigen Bewegungen von Myriaden von Festkörperatomen elegant beschreiben lassen.

Hinter den nun aufgespürten Axion-Quasiteilchen steckt ein ungleich komplexeres Phänomen. Es tritt in einem Weyl-Halbmetall auf, in dem sich Elektronen zu so genannten Weyl-Fermionen zusammenfinden. Dabei handelt es sich ebenfalls um Quasiteilchen, die sich ausschließlich in Richtung ihres Spins bewegen. Weyl-Halbmetalle ähneln den bekannteren topologischen Isolatoren, für deren Entdeckung es 2016 den Physik-Nobelpreis gab und an deren Rändern Elektronen widerstandsfrei fließen können.

Um Axionen-Quasiteilchen aufzuspüren, kühlten die Forscher um Gooth ein Weyl-Halbmetall namens (TaSe4)2I auf minus 11 Grad Celsius ab. Dadurch sammelten sich die Weyl-Fermionen in einer »Ladungswelle«. In Tests konnte das Team zeigen, dass diese exakt so auf elektrische und magnetische Felder reagierte, wie es Axionen gemäß den Gesetzen der Teilchenphysik in freier Natur tun sollten. Die Ladungswelle verhalte sich also gewissermaßen wie das verzweifelt gesuchte Elementarteilchen, so die Wissenschaftler, die damit eine Prognose aus dem Jahr 2010 bestätigt haben wollen.

Dunkle-Materie-Jäger bringt das leider nicht wirklich weiter: Physiker haben in Festkörpern schon öfter Quasiteilchen nachgewiesen, deren Elementarteilchen-Variante heiß gesucht ist. Vor einigen Jahren gelang dies beispielsweise mit so genannten Majorana-Fermionen – einer anderen großen Hoffnung der Teilchenphysik, die bisher nicht aufgetaucht ist.

42/2019

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 42/2019

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