DasAxion ist einhypothetischesElementarteilchen ohne elektrische Ladung und mitSpin null. Theoretische Überlegungen derQuantenchromodynamik (QCD) fordern eine Verletzung derCP-Symmetrie, die aber nicht beobachtet wird. So würde eine CP-Verletzung für dasNeutron einelektrisches Dipolmoment von bis zu vorhersagen,[1] jedoch wurde bis herab kein Dipolmoment gemessen. Als Lösung dieses Problems wurde die Existenz des Axions vorgeschlagen.
Jedoch konnte das Axion, das auch ein Kandidat fürDunkle Materie ist, bisher nicht gefunden werden.
Im Gegensatz zurschwachen Wechselwirkung sind bei derstarken Wechselwirkung die diskretenSymmetrienC (Ladungsumkehr, der Austausch allerTeilchen durch ihreAntiteilchen),P (Parität, Raumspiegelung) undT (Zeitumkehr) ungebrochen. Eine Konsequenz ist das verschwindende elektrische Dipolmoment des Neutrons.
Insbesondere ist damit auch die Kombination CP eine ungebrochene Symmetrie. Die grundlegende Theorie der starken Wechselwirkung, die Quantenchromodynamik, sagt aber, wieGerardus ’t Hooft 1976 fand, einenCP-verletzenden Anteil in Form nichtstörungstheoretischer Konfigurationen von Vakuumfeldern (Instantonen) voraus. Genauer führte 't Hooft diesen CP-verletzenden nichtstörungstheoretischen Term in der QCD-Wirkung ein, um ein anderes Problem (vonSteven Weinberg-Problem genannt) zu lösen,[2][3] handelte sich damit aber ein neues Problem ein, das als Starkes CP-Problem (strong CP problem) bekannt wurde.
Der Zusatzterm zurLagrangedichte von ’t Hooft hatte einen Vakuumwinkel als Parameter, und das Problem war zu erklären, warum dieser so klein war.[4]Roberto Peccei undHelen Quinn schlugen die Existenz einer zusätzlichen globalen,spontan gebrochenenchiralen Symmetrie vor (Peccei-Quinn-Symmetrie), die den Vakuumwinkel zum Verschwinden bringt.[5] Diese neue Symmetrie führt über dasGoldstonetheorem zu einem neuen Nambu-Goldstone-Boson. Dieses neue leichte, schwach wechselwirkende Teilchen nannteFrank Wilczek 1978 nach dem amerikanischen WaschmittelAxion (unabhängig davon führte es auch Steven Weinberg ein).
Es gibt zum einen das Modell des stärker wechselwirkenden KSVZ[6] und zum anderen das des weniger stark wechselwirkenden DFSZ-Axions[7].
Axionen werden, neben denNeutrinos und den ebenfalls nurpostuliertenPrimordialen Schwarzen Löchern,WIMPs undMACHOs, als mögliche Kandidaten zur Lösung des Problems derdunklen Materie gehandelt.[8]Falls Axionen einen Großteil der dunklen Materie darstellen, ergabenGitter-QCD-Berechnungen zur Masse der Axionen Massewerte von 50 bis 1500 Mikroelektronenvolt – und damit bis zu zehn Milliarden Mal leichter als das Elektron.[9][10]
Diverse Experimente versuchen mit verschiedenen Methoden, Axionen nachzuweisen.
Bei den modellunabhängigen Laborexperimenten handelt es sich um „Licht durch die Wand“-Experimente, bei denen einLaserstrahl einMagnetfeld passiert und danach durch eine Wand blockiert wird. Auf der anderen Seite der Wand befindet sich ein auf dem Strahl senkrecht stehendes Magnetfeld gleicher Stärke und am Ende dieses Feldes ein auf die Laserquanten (Photonen)kalibrierterDetektor.
Der Trick besteht darin, dass durch denPrimakoff-Effekt mit Hilfe einesvirtuellen Photons durch den Magneten vor der Wand ein Axion entstehen soll, das auf der anderen Seite der Wand durch den umgekehrten Effekt wieder in ein Lichtquant übergeht. Das ankommende Licht interagiert mit dem Magnetfeld undfluktuiert in eine andere Form, die sich durch die Wand hindurch ausbreiten kann. Hinter der Wand treten erneut Fluktuationen des neuen Zustands zurück zum ursprünglichen Charakter auf. Teile der Photonen könnten also die Wand „umgehen“, so dass diese detektierbar wären. Ein Nachweis der Photonen hinter der Wand würde das kurzzeitige Vorhandensein des Lichts in Form von Axionen belegen. Veränderungen an den Feldern wirken sich auf die detektierte Lichtmenge aus. Dies würde Rückschlüsse auf die Details der Axion-Umwandlung zulassen. Beispiele für „Licht durch die Wand“-Experimente" sind ALPS-II[11] amDESY oderOSQAR amCERN.
Helioskop-Experimente basieren auf der Hypothese, dass Axionen oder axionähnliche Teilchen im Kern der Sonne durch die Wechselwirkung von Photonen mit den dort vorhandenen elektromagnetischen Feldern erzeugt werden können. Auf der Erde wird ein Helioskop-Experiment zur Sonne ausgerichtet, um den Fluss der eintreffenden Axionen zu maximieren. Im Inneren eines Helioskops befindet sich ein starkes Magnetfeld, in dem Axionen durch den Primakoff-Effekt in Photonen zurückgewandelt und anschließend von einem Photonendetektor nachgewiesen werden können. Da die erwartete Signalrate äußerst gering ist, sind umfangreiche Abschirmungs- und Hintergrundreduzierungstechniken erforderlich. Das bisher größte Axion-Helioskop-Experiment ist dasCAST (CERN Axion Solar Telescope)-Experiment, das bis 2010 am Forschungszentrum CERN Daten erhoben hat. Im Gegensatz zu „Licht durch die Wand“-Experimenten besteht eine gewisse Modellabhängigkeit, da Annahmen über den zu erwarteten Fluss von Axionen aus der Sonne gemacht werden müssen.
Innerhalb eineselektrischen Feldes ist die Axion-Photon-Kopplungkohärent, falls dieBragg-Gleichung erfüllt ist. Bekannte Experimente sind SOLAX, COSME und DAMA.
Bei den Primakoff-Teleskopen wird durch Nutzung desPrimakoff-Effekts nach Axionen gesucht (sieheCAST-Experiment amCERN-Forschungszentrum). Durch den Primakoff-Effekt würde ein Axion in einem äußeren Magnetfeld, z. B. bei CAST im Feld einesLHC-Prototyp-Magneten mit 9 TeslaStärke, in ein Photon mit Energien im keV-Bereich umgewandelt. Dieses kann dann in Teilchendetektoren wie einerCCD nachgewiesen werden.
Hierbei würde das Axion durchresonanteAnregung einesAtomkernes nachgewiesen, ähnlich wie die Anregung durch Photonen beimMößbauer-Effekt. Eine erste Generation des Experiments ist im Aufbau.
Haloskope suchen nach etwaigen Axionen aus demHalo der Milchstraße, mit Detektoren auf der Erde. Axionen, welche sich durch ein Detektorsystem bewegen, würden dann durch den umgekehrten Primakoff-Effekt in zwei Photonen umgewandelt werden und so nachgewiesen werden können. Beispiele für aktuell laufende Haloskope Experimente sindADMX[12] oder HAYSTACK[13].
Axionen können auch an Teilchenbeschleunigern erzeugt werden, insbesondere in Elektron-Positron-Kollisionen sowie in ultraperipheren Schwerionenkollisionen am LHC, bei denen der Prozess derLicht-zu-Licht-Streuung neu interpretiert wird. Diese Untersuchungen sind empfindlich für relativ große Axionmassen zwischen 100 MeV/c2 und Hunderten von GeV/c2. Unter der Annahme einer Kopplung von Axionen an dasHiggs-Boson kann die Suche nach anomalen Higgs-Boson-Zerfällen in zwei Axionen noch stärkere Grenzwerte liefern[14][15].
Wie auch bei anderen hypothetischen Elementarteilchen wurden Analoga in Festkörpern gesucht. Über ein Analogon des Axions berichtete 2019 eine Forschergruppe um Johannes Gooth (Max-Planck-Institut für chemische Physik fester Stoffe, Dresden) inNature.[15] Als topologische Phase in einem Weyl-Halbmetall war es schon 2010 vonShou-Cheng Zhang und Kollegen vorhergesagt worden.[16] In Weyl-Halbmetallen bilden die ElektronenQuasiteilchen, die sich wieWeyl-Fermionen verhalten. Sie haben Ähnlichkeit mittopologischen Isolatoren. Bei dem Weyl-Halbmetall handelte es sich um dieTantal-Selen-Verbindung (TaSe4)2, bei der sich die Weyl-Fermionen bei Abkühlung auf −11 Grad Celsius inLadungsdichtewellen sammelten. Eine Mode dieser Welle (sliding mode, Phason) bildete das Analogon des Axions, wie durch das ähnliche Verhalten unter elektrischen und magnetischen Feldern nachgewiesen wurde. So zeigte sich ein großer positiver Beitrag zur magnetischen Leitfähigkeit bei parallelen elektrischen und magnetischen Feldern entsprechend dem Axion-Beitrag zur chiralenAnomalie.
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