„Es ist ein sehr leichtes Teilchen“

Axionen sind bislang noch nicht nachgewiesene Elementarteilchen, die kaum Masse besitzen und fast nicht mit sichtbarer Materie wechselwirken. Daher gelten Axionen auch als Kandidaten für die Dunkle Materie, die 85 Prozent aller Materie im Universum ausmachen soll. Im Fachmagazin „Nature“ stellen Physiker eine Computersimulation vor, die das Universum kurz nach dem Urknall beschreibt und mit der sie die Masse des Axions erstmals berechnen konnten. Welt der Physik sprach mit dem beteiligten Wissenschaftler Zoltán Fodor von der Universität Wuppertal.

Welt der Physik: Das Axion wurde bislang noch nicht experimentell nachgewiesen, es ist also ein rein hypothetisches Teilchen. Was ist über seine Eigenschaften bekannt?

Zoltán Fodor: Wir wissen, dass es ein sehr leichtes Teilchen ist und wir wissen, dass es möglicherweise die Dunkle Materie sein könnte. Wenn es tatsächlich die Dunkle Materie ist, würde es im Universum in jedem Kubikzentimeter mehrere Millionen Axionen geben – und in unserer Galaxie sogar noch mehr.

Wie kamen Wissenschaftler darauf, dass es ein Teilchen wie das Axion überhaupt geben könnte?

Die ursprüngliche Idee kam aus einer Symmetrie, die wir gar nicht verstehen. Die starke Wechselwirkung ist völlig symmetrisch, es spielt also keine Rolle, ob ihre Reaktionen mit Teilchen oder deren Antiteilchen, mit gespiegelten Raumkoordinaten oder, was in unserem Fall das Wichtigste ist, vorwärts oder rückwärts in der Zeit ablaufen. Aber in der schwachen Wechselwirkung, die auch eine Fundamentalkraft ist und die bei radioaktiven Zerfällen eine Rolle spielt, haben wir kleine Effekte gefunden, bei der diese sogenannte Zeitumkehrinvarianz verletzt ist. Einen noch größeren Effekt würden wir auch für die starke Wechselwirkung erwarten. Das scheint aber nicht der Fall zu sein.

Wie kommt man von dieser Symmetriebrechung auf das Axion?

Zoltán Fodor von der Universität Wuppertal

In der mathematischen Beschreibung der starken Wechselwirkung gibt es einen Term, der die Symmetrie bricht. Dieser Term ist aber winzig, und wir wollen verstehen, warum er praktisch null ist, obwohl er eigentlich eins sein sollte – nur dann wäre die Symmetrie gebrochen. Zwei Forscher haben daher eine zusätzliche Symmetrie vorgeschlagen, und zu dieser Symmetrie gehört ein Teilchen. Das ist das Axion. Dieser Vorschlag wurde aber schon vor vierzig Jahren gemacht, seitdem sind Axionen aber nicht beobachtet worden.

Warum gelten Axionen als Kandidaten für die Dunkle Materie?

Das ist eine direkte Konsequenz daraus, dass man dieses Teilchen eingeführt hat. Wenn das Symmetrieproblem der starken Wechselwirkung tatsächlich durch Axionen gelöst wird, dann ist es offensichtlich, dass Axionen existieren und dass sie dunkel sind: Wir sehen sie nicht, sie sind extrem schwierig zu beobachten. Die Frage ist dann natürlich, ob dieses Teilchen dafür verantwortlich ist, dass unser Universum zu 15 Prozent aus sichtbarer Materie und zu 85 Prozent aus Dunkler Materie besteht. Dafür müssten wir die Gesamtmasse der Axionen kennen, aber wir wissen derzeit noch nicht einmal, ob es sie wirklich gibt.

Wenn man annimmt, dass es Axionen wirklich gibt: Wie sieht dann das Szenario kurz nach dem Urknall aus, als die Axionen entstanden sind und ihre Masse festgelegt wurde?

Gemäß der derzeit allgemein akzeptierten Vorstellung dehnte sich das Universum kurz nach dem Urknall aus und kühlte sich dabei ab. Es war von einem sogenannten QCD-Vakuum erfüllt, in dem es noch nicht die Teilchen gab, wie wir sie heute kennen. Es wurden zahlreiche Axionen erzeugt, deren Masse allerdings noch nicht festgelegt war. Eine Eigenschaft dieses stark wechselwirkenden QCD-Vakuums ist die sogenannte topologische Quantenzahl, die sich abhängig von der Temperatur des Universums ändert: Ist die Temperatur sehr hoch, ist diese Änderungsrate sehr klein. Ist die Temperatur sehr niedrig, ist diese Änderungsrate ein bisschen größer, aber immer noch sehr klein. Die Axionmasse hängt davon ob, wie oft sich diese Quantenzahl im frühen Universum änderte, bevor sich das Universum so weit ausgedehnt und abgekühlt hatte, dass die Masse festgelegt war.

Wie haben Sie die Masse des Axions bestimmt?

Wir haben Berechnungen am Computer durchgeführt, mit denen wir die Änderungsrate der topologischen Quantenzahl bestimmt haben. Darin lag die eigentliche Herausforderung, denn die Änderungsrate ist winzig – wir mussten neue mathematische Methoden entwickeln, um das am Computer berechnen zu können. Zusätzlich mussten wir noch die Zustandsgleichung bestimmen, also wie der Druck und die Temperatur des Universums zusammenhängen. Dann kann man beschreiben, wie sich das Universum ausgedehnt hat, denn während dieser Ausdehnung ändert sich die Masse des Axions. Wir haben dabei angenommen, dass die Dunkle Materie aus Axionen besteht. Wenn das so ist, kann man sagen: Wenn die Axionen zu leicht wären, würden sie nicht zu unseren astronomischen Beobachtungen passen, wenn sie zu schwer wären, auch nicht.

Wie hoch ist demnach die Masse eines Axions?

Die Masse von Teilchen wird üblicherweise in Elektronenvolt angegeben. Laut unseren Berechnungen liegt die Axionmasse zwischen 50 und 1500 Mikroelektronenvolt. Zum Vergleich: Die Masse eines Protons beträgt knapp ein Gigaelektronenvolt, ist also um mindestens vierzehn Größenordnungen höher.

Was bedeutet das für Experimente, in denen das Axion experimentell nachgewiesen werden soll?

Das ist eben der Witz dabei. Wenn man ein Experiment zum Nachweis von Axionen plant, ohne zu wissen, in welchem Energiebereich ihre Masse liegt, dann ist man natürlich in einer schwierigen Situation. Man läuft Gefahr, ein sehr teures Experiment zu bauen und findet nichts, weil man vielleicht im völlig falschen Massenbereich nach dem Teilchen sucht. Wenn das theoretisch irgendwie eingegrenzt werden kann, ist das schon eine sehr große Hilfe.