Kandidat für Dunkle Materie könnte in exotischen Materialien stringähnliche Entitäten erzeugen.

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Berechnungen zeigen, wie theoretische ‘axionische Strings’ ein seltsames Verhalten erzeugen könnten, wenn sie in exotischen Materialien im Labor hergestellt werden.

Ein hypothetisches Teilchen, das eines der größten Rätsel der Kosmologie lösen könnte, wurde gerade etwas weniger mysteriös. Ein RIKEN-Physiker und zwei Kollegen haben die mathematischen Grundlagen aufgedeckt, die erklären könnten, wie so genannte Axionen stringartige Gebilde erzeugen könnten, die in Labormaterialien eine seltsame Spannung erzeugen.

Axionen wurden erstmals in den 1970er Jahren von Physikern vorgeschlagen, die sich mit der Theorie der Quantenchromodynamik beschäftigten, die beschreibt, wie einige Elementarteilchen im Atomkern zusammengehalten werden. Das Problem war, dass diese Theorie einige bizarre Eigenschaften für bekannte Teilchen vorhersagte, die nicht beobachtet werden. Um dies zu beheben, stellten die Physiker ein neues Teilchen vor – später wurde das Axion nach einer Waschmittelmarke benannt, weil es dazu beitrug, ein Durcheinander in der Theorie aufzuräumen.

Die Physiker erkannten bald, dass Axionen auch ein kosmisches Rätsel aufklären können. Man geht davon aus, dass mehr als 80 % der Materie im Universum aus einer mysteriösen unsichtbaren Substanz, der so genannten dunklen Materie, besteht. “Axionen sind ein Kandidat für dunkle Materie, aber wir haben sie noch nicht gefunden”, sagt Yoshimasa Hidaka vom RIKEN-Programm für Interdisziplinäre Theoretische und Mathematische Wissenschaften. Axionen könnten die richtigen Eigenschaften haben, deshalb haben Physiker in zahlreichen Experimenten nach Anzeichen für ihre Existenz gesucht. Im Juni 2020 berichtete das XENON1T-Experiment am Gran-Sasso-Laboratorium in Italien über Hinweise, dass sie das Axion entdeckt haben könnten – doch dieses Ergebnis muss noch bestätigt werden.

Es gibt jedoch einen weiteren Bereich, in dem die Eigenschaften von Axionen untersucht werden können. Physiker können im Labor exotische Materialien – so genannte topologische Isolatoren – präparieren, die seltsame Eigenschaften aufweisen, wie z.B. Elektrizität auf ihrer Oberfläche zu leiten, während sie im Inneren elektrische Isolatoren bleiben. Solche Materialien zeigen ein anderes seltsames Verhalten. Manchmal gruppieren sich ihre Elektronen und bewegen sich so, dass das Material aus “Quasiteilchen” mit ungewöhnlichen Eigenschaften zu bestehen scheint. Dies kann eine unerwartete Spannung über dem Material erzeugen, die als anomaler Hall-Effekt bezeichnet wird.

Es wird auch vorhergesagt, dass das Axion auf diese Weise in topologischen Isolatoren entsteht, wo es mit Lichtteilchen oder Photonen auf eine andere Art und Weise wechselwirken sollte als mit regulären Teilchen.

Hidaka und seine beiden Kollegen haben nun die Theorie der Wechselwirkung zwischen Axionen und Photonen untersucht. Obwohl Axionen punktförmige Teilchen sind, errechnete das Team, dass Licht innerhalb von Materialien tatsächlich mit ausgedehnten fadenförmigen Konfigurationen aus Axionen, so genannten axionischen Strings, wechselwirkt. Das würde zu dem anomalen Hall-Effekt führen, der in Experimenten beobachtet wird.

“Wir haben die zugrunde liegende mathematische Struktur für das Phänomen gefunden”, sagt Hidaka.

Referenz: “Symmetrien höherer Formen und 3-Gruppen in der Axionenelektrodynamik” von Yoshimasa Hidaka, Muneto Nitta und Ryo Yokokura, 4. August 2020, Physikalische Briefe B.
DOI: 10.1016/j.physletb.2020.135672.

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