Gesucht: das Axion

Bei der Fahndung nach der mysteriösen dunklen Materie haben Physiker mit groß angelegten Computer­berechnungen eine Art Steckbrief für die gesuchten Teilchen der unbekannten Materie­form erstellt. Die Forscher haben dazu eine Erweiterung des erfolgreichen Standard­modells der Teilchenphysik berechnet, die unter anderem eine Vorhersage der Masse von Axionen liefert, viel­versprechender Kandidaten der Dunklen Materie. Das deutsch-ungarische Forscherteam unter der Leitung von Zoltán Fodor von der Bergischen Universität Wuppertal, der Eötvös-Universität in Budapest und dem Forschungs­zentrum Jülich berichtet nun über seine Berechnungen, für die der Jülicher Supercomputer JUQUEEN (BlueGene/Q) zum Einsatz kam.

„Die Dunkle Materie ist eine unsichtbare Form von Materie, die sich bislang nur durch ihre Schwerkraft verrät. Woraus sie besteht, ist völlig rätselhaft“, erläutert Andreas Ringwald von DESY, der den Anstoß zu der aktuellen Arbeit gab. Hinweise auf die Existenz dieser Materieform kommen unter anderem aus astro­physikalischen Beobachtungen von Galaxien, die sich viel zu schnell drehen, um allein durch die Schwer­kraft der sichtbaren Materie zusammen­gehalten zu werden. Präzisions­messungen mit dem europäischen Satelliten „Planck“ zeigen, dass fast 85 Prozent der gesamten Materie im Universum zur Dunklen Materie gehören. Sämtliche Sterne, Planeten, Staub­wolken und weiteren Objekte im All, die aus der uns vertrauten Materie bestehen, machen dagegen nur etwa 15 Prozent der Materie im Kosmos aus.

Seit Jahrzehnten suchen Physiker nach den Teilchen dieser neuen Materieform. Klar ist, dass diese Teilchen außerhalb des Standard­modells der Teilchen­physik liegen müssen, das zwar äußerst erfolgreich ist, aber bislang lediglich die 15 Prozent gewöhnliche Materie beschreibt. Aus theoretisch möglichen Erweiterungen des Standard­modells erhoffen sich die Physiker nicht nur ein tieferes Verständnis des Universums, sondern auch ganz konkrete Hinweise, in welchem Energie­bereich sich die Suche nach den Kandidaten der Dunklen Materie besonders lohnt.

Die unbekannte Materieform kann entweder aus vergleichsweise wenigen, aber sehr schweren Teilchen bestehen, oder aus sehr vielen ganz leichten. Die direkte Suche nach schweren Kandidaten für die dunkle Materie mit Hilfe großer Detektoren in unterirdischen Laboren und die indirekte Suche an großen Teilchen­beschleunigern ist noch nicht abgeschlossen, aber bislang ergebnislos geblieben. Aus verschiedenen physikalischen Überlegungen sind die extrem leichten Axionen viel­versprechende Kandidaten. Sie könnten sich mit geschickten Versuchs­aufbauten sogar direkt nachweisen lassen. „Für so einen Nachweis ist es aber sehr hilfreich zu wissen, bei welcher Masse man suchen muss“, betont DESY-Theoretiker Ringwald. „Sonst dauert die Fahndung Jahrzehnte, weil man einen viel zu großen Bereich absuchen muss.“

Die Existenz der Axionen wird von einer Erweiterung der Quanten­chromo­dynamik vorhergesagt, der Quantentheorie der starken Wechselwirkung. „Aus theoretischen Betrachtungen zeigt sich, dass es in der Quanten­chromo­dynamik sogenannte topologische Quanten­fluktuationen gibt, die zu einer beobachtbaren Verletzung der Zeit­umkehr­invarianz führen sollten“, berichtet Ringwald. Das heißt, bestimmte Prozesse sollten vorwärts anders ablaufen als rückwärts. Das ließ sich im Experiment aber bisher nicht beobachten.

Die Erweiterung der Quantenchromodynamik stellt die Zeit­umkehr­invarianz wieder her, sagt aber gleich­zeitig die Existenz eines sehr schwach wechsel­wirkenden Teilchen voraus, des Axions, dessen Eigenschaften – insbesondere dessen Masse – von der Stärke der topologischen Quanten­fluktuationen abhängen. Letztere ließen sich bei den für die Vorhersage des Anteils der Axionen an der Materie im Universum relevanten Temperaturen jedoch erst mit Hilfe von modernen Super­computern wie JUQUEEN am Forschungs­zentrum Jülich berechnen. „Zudem mussten wir neue theoretische Methoden entwickeln, um den angestrebten Temperatur­bereich zu erreichen“, betont Forschungs­leiter Fodor.

Die Ergebnisse zeigen unter anderem, dass Axionen, falls sie den Großteil der Dunklen Materie bilden, eine Masse von 50 bis 1500 Mikro­elektronen­volt haben sollten und damit bis zu Zehn­milliarden Mal leichter sind als das Elektron. Von diesen Leicht­gewichten befinden sich im Schnitt etwa zehn Millionen in jedem Kubik­zentimeter des Universums. Allerdings ist die Dunkle Materie im Kosmos nicht völlig gleichmäßig verteilt, sie bildet Klumpen und Äste in einer netzartigen Struktur. In unserer lokalen Umgebung in der Milchstraße gäbe es dadurch etwa eine Billion Axionen pro Kubik­zentimeter.

Die Supercomputerberechnungen liefern Physikern nun einen konkreten Bereich, in dem die Fahndung nach Axionen am aussichts­reichsten ist. „Es ist davon auszugehen, dass die vorgelegten Ergebnisse zu einem Wettlauf um die Entdeckung dieser Teilchen führen werden“, sagt Fodor. Ihre Entdeckung würde nicht nur das Problem der Dunklen Materie des Universums lösen, sondern gleichzeitig die Frage beantworten, warum die starke Wechselwirkung so überraschend symmetrisch bezüglich der Zeitumkehr ist. Die Forscher erwarten, dass es bereits innerhalb der nächsten Jahre möglich wird, die Existenz der Axionen experimentell zu bestätigen oder auszuschließen.

An der Arbeit waren auch das Institut für Kern­forschung der Ungarischen Akademie der Wissenschaften in Debrecen, die Lendület-Forschungsgruppe zur Gitter­eich­theorie der Eötvös-Universität, die Universität Saragossa in Spanien sowie das Münchner Max-Planck-Institut für Physik beteiligt.

DESY / DE