Mit Radioteleskopen auf der Suche nach Axion-Teilchen der Dunklen Materie in der Nähe von Neutronensternen

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In den 1970er Jahren entdeckten Physiker ein Problem mit dem Standardmodell der Teilchenphysik – der Theorie, die drei der vier fundamentalen Kräfte der Natur beschreibt (elektromagnetische, schwache und starke Wechselwirkung; die vierte ist die Gravitation).

Sie fanden heraus, dass, während die Theorie vorhersagt, dass eine Symmetrie zwischen Teilchen und Kräften in unserem Universum und einer Spiegelversion gebrochen sein sollte, die Experimente etwas anderes sagen.

Diese Diskrepanz zwischen Theorie und Beobachtungen wird als “das starke CP-Problem” bezeichnet – CP steht für Charge+Parity.

Was ist das CP-Problem, und warum hat es die Wissenschaftler fast ein halbes Jahrhundert lang vor ein Rätsel gestellt?
Im Standardmodell ist der Elektromagnetismus symmetrisch unter C (Ladungskonjugation), die Teilchen durch Antiteilchen ersetzt; P (Parität), die alle Teilchen durch ihre spiegelbildlichen Gegenstücke ersetzt; und T (Zeitumkehr), die Wechselwirkungen, die in der Zeit vorwärts gehen, durch solche, die in der Zeit rückwärts gehen, ersetzt, sowie Kombinationen der Symmetrieoperationen CP, CT, PT und CPT.

Das bedeutet, dass Experimente, die auf die elektromagnetische Wechselwirkung ansprechen, nicht in der Lage sein sollten, die ursprünglichen Systeme von denjenigen zu unterscheiden, die durch eine der oben genannten Symmetrieoperationen transformiert wurden.
Im Fall der elektromagnetischen Wechselwirkung stimmt die Theorie sehr gut mit den Beobachtungen überein.

Wie erwartet, liegt das Problem in einer der beiden Kernkräfte – der “starken Wechselwirkung”. Wie sich herausstellt, erlaubt die Theorie sowohl für die schwache als auch für die starke Wechselwirkung Verletzungen der kombinierten Symmetrieoperation CP (Spiegelung von Teilchen an einem Spiegel und anschließender Austausch von Teilchen gegen Antiteilchen). Allerdings sind CP-Verletzungen bisher nur für die schwache Wechselwirkung beobachtet worden.

Genauer gesagt, tritt die CP-Verletzung bei der schwachen Wechselwirkung etwa auf dem 1:1.000-Niveau auf, und viele Wissenschaftler erwarteten ein ähnliches Maß an Verletzungen für die starke Wechselwirkung. Dennoch haben die Experimentatoren ausgiebig nach CP-Verletzungen gesucht, jedoch ohne Erfolg.

Wenn sie bei der starken Wechselwirkung auftritt, wird sie um mehr als einen Faktor von einer Milliarde (10?) unterdrückt.
1977 schlugen die theoretischen Physiker Roberto Peccei und Helen Quinn eine mögliche Lösung vor: Sie stellten die Hypothese auf, dass es eine neue Symmetrie gibt, die CP-verletzende Terme in der starken Wechselwirkung unterdrückt und so die Theorie mit den Beobachtungen in Einklang bringt. Kurze Zeit später erkannten Steven Weinberg und Frank Wilczek – beide erhielten 1979 bzw. 2004 den Nobelpreis für Physik -, dass dieser Mechanismus ein völlig neues Teilchen erzeugt.

Wilczek nannte dieses neue Teilchen schließlich das “Axion”, nach einem beliebten Spülmittel gleichen Namens, wegen seiner Fähigkeit, das starke CP-Problem zu “bereinigen”.

Das Axion sollte ein extrem leichtes Teilchen sein, außerordentlich häufig vorkommen und keine Ladung besitzen.

Aufgrund dieser Eigenschaften sind Axionen hervorragende Kandidaten für dunkle Materie.

Dunkle Materie macht etwa 85 Prozent des Massengehalts des Universums aus, aber ihre grundlegende Natur bleibt eines der größten Rätsel der modernen Wissenschaft.

Die Entdeckung, dass die dunkle Materie aus Axionen besteht, wäre eine der größten Entdeckungen der modernen Wissenschaft.
Im Jahr 1983 fand der theoretische Physiker Pierre Sikivie heraus, dass Axionen eine weitere bemerkenswerte Eigenschaft haben: In Gegenwart eines elektromagnetischen Feldes sollten sie sich manchmal spontan in leicht nachweisbare Photonen verwandeln.

Was einst als völlig unauffindbar galt, entpuppte sich als potenziell auffindbar, solange eine ausreichend hohe Konzentration von Axionen und starke Magnetfelder vorhanden sind.

Einige der stärksten Magnetfelder des Universums umgeben Neutronensterne. Da diese Objekte ebenfalls sehr massereich sind, könnten sie auch eine große Anzahl von Axion-Teilchen der dunklen Materie anziehen. Daher haben Physiker vorgeschlagen, in den Umgebungsregionen von Neutronensternen nach Axion-Signalen zu suchen. Nun hat ein internationales Forscherteam, dem auch der Postdoc Oscar Macias vom Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe (Kavli IPMU) angehört, genau das mit zwei Radioteleskopen getan – dem Robert C.

Byrd Green Bank Telescope in den USA und dem 100-m-Radioteleskop Effelsberg in Deutschland.
Die Ziele dieser Suche waren zwei nahe gelegene Neutronensterne, von denen bekannt ist, dass sie starke Magnetfelder haben, sowie das Zentrum der Milchstraße, in dem schätzungsweise eine halbe Milliarde Neutronensterne zu finden sind.

Das Team tastete Radiofrequenzen im 1-GHz-Bereich ab, was einer Axionmasse von 5-11 Mikroelektronenvolt entspricht. Da kein Signal zu sehen war, war das Team in der Lage, die bisher stärksten Grenzen für Axion-Dunkelmaterie-Teilchen mit einer Masse von wenigen Mikroelektronenvolt aufzustellen.
Referenz: “Green Bank and Effelsberg Radio Telescope Searches for Axion Dark Matter Conversion in Neutron Star Magnetospheres” von Joshua W.

Foster, Yonatan Kahn, Oscar Macias, Zhiquan Sun, Ralph P.

Eatough, Vladislav I. Kondratiev, Wendy M. Peters, Christoph Weniger und Benjamin R. Safdi, 20. Oktober 2020, Physical Review Letters.
Phys. Rev. Lett. 125, 171301 – Veröffentlicht

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