Eine neue Schranke für Axionen (Originalartikel vom 19.01.2018)

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Weekly Science Update – Übersetzt von Harald Horneff

(Originalartikel unter www.cfa.harvard.edu)

Ein zusammengesetztes Bild von M87 im Röntgenlicht, aufgenommen von Chandra (blau), und im Radiolicht, aufgenommen vom Very Large Array (rot-orange). Astronomen verwendeten die Röntgenstrahlung aus M87, um die Eigenschaften von Axionen einzugrenzen, hypothetische Teilchen, die als Kandidaten der Dunklen Materie vorgeschlagen wurden. X-ray: NASA / CXC / KIPAC / N. Werner, E. Million et al. Radio: NRAO / AUI / NSF / F. Owen

 

Ein Axion ist ein hypothetisches Elementarteilchen, dessen Existenz angenommen wurde, um zu erklären, warum bestimmte subatomare Reaktionen grundlegende Symmetriebeschränkungen, insbesondere die Symmetrie der Zeit, zu verletzen scheinen. Der Nobelpreis für Physik ging im Jahr 1980 an die Entdeckung von Reaktionen, die die Symmetrie der Zeit verletzen. In den sich anschließenden Jahrzehnten haben Astronomen mittlerweile die Bewegungen von Galaxien und die Eigenschaften der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung untersucht und kamen zu der Erkenntnis, daß die meiste Materie im Universum nicht sichtbar war. Sie wurde Dunkle Materie genannt und die besten Messungen heutzutage besagen, daß ungefähr 84 % der Materie im Kosmos dunkel ist. Dieser Bestandteil ist nicht nur dunkel, weil er kein Licht abstrahlt – er ist auch nicht aus Atomen oder deren gewöhnlicher Bestandteile, wie Elektronen und Protonen, aufgebaut und seine Natur ist rätselhaft. Axionen sind als eine denkbare Lösung vorgeschlagen worden. Doch da Teilchenphysiker Axionen bisher nicht direkt nachweisen können, erscheint deren Existenz zweifelhaft zu sein und belebt die Rätsel neu, die sie zu lösen vermuteten.

CfA-Astronom Paul Nulsen und seine Kollegen setzten eine neuartige Methode ein, um die Natur der Axionen zu untersuchen. Die Quantenmechanik zwingt Axionen, wenn sie existieren, mit Licht in Anwesenheit eines Magnetfeldes in Wechselwirkung zu treten. Während sie sich entlang eines starken Feldes ausbreiten, sollten Axionen und Photonen sich durch Oszillation ineinander umwandeln. Da die Stärke jedes möglichen Effekts zum Teil von der Photonenenergie abhängt, nutzten die Astronomen das Chandra-Röntgen-Observatorium, um die helle Röntgenstrahlung von Galaxien zu verfolgen. Sie beobachteten Röntgenstrahlung aus dem Kern der Galaxie M87, die bekanntlich starke Magnetfelder besitzt und nah genug liegt (nur dreiundfünfzig Millionen Lichtjahre entfernt), um genaue Messungen der Änderungen des Röntgenflusses zu ermöglichen. M87 liegt zudem in einem Galaxiencluster, dem Virgo-Cluster, was gewährleisten sollte, daß sich die Magnetfelder in sehr großem Maßstab ausdehnen und zudem die Deutung erleichtern sollte. Nicht zuletzt ist M87 Jahrzehnte hinweg sehr genau untersucht worden und ihre Eigenschaften sind vergleichsweise gut bekannt.

Bei der Suche fand sich kein Signal für Axionen. Dennoch setzt die Suche eine wichtige neue Grenze für die Stärke der Kopplung zwischen Axionen und Photonen und kann einen beträchtlichen Teil möglicher zukünftiger Experimente vermeiden, die unternommen worden wären, um Axionen zu entdecken. Die Wissenschaftler heben hervor, daß ihre Forschung die Bedeutung der Röntgenastronomie aufzeigt, einige grundlegende Fragen der Teilchenphysik zu untersuchen und sprechen sich für ergänzende Forschungsbemühungen aus, die bei anderen, intensiv im Röntgenlicht strahlenden Galaxien unternommen werden können.

Literatur:
„A New Bound on Axion-Like Particles”
M. C. David Marsh, Helen R. Russell, Andrew C. Fabian, Brian R. McNamara, Paul Nulsen, and Christopher S. Reynolds
Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, 12, 036, 2017

oder

arXiv:1703.07354v2 [hep-ph]

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