Relikte des Urknalls?

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Forscher der CAST-Kollaboration suchen am CERN nach einem theoretisch vorhergesagten, elektrisch neutralen Elementarteilchen, dem Axion.

Wissenschaftler der Max-Planck-Institute für Physik in München und für extraterrestrische Physik in Garching suchen am Europäischen Forschungszentrum CERN in Genf im Rahmen des internationalen Experiments CAST (CERN Axion Solar Telescope) nach Axionen. Diese theoretisch vorhergesagten, elektrisch neutralen Elementarteilchen könnten als Relikte des Urknalls bis heute in der rätselhaften Dunklen Materie, die den Forschern zur theoretischen Erklärung von Masseverteilungen und Bewegungen im Universum dient, überlebt haben.

Abb. 1: Ansicht des CAST-Helioskops in der Experimentierhalle am CERN. Der horizontal auf Schienen fahrbare und vertikal schwenkbare 10 m lange Magnet (blaue Röhre) wird durch die Fischaugenoptik der Aufnahme verbogen. Links im Vordergrund ist die Helium-Kälteanlage für die Versorgung der supraleitenden Magnetspule zu sehen. (Bild: Max-Planck-Institut für Physik / Kotthaus)

Bis jetzt ist die Existenz von Axionen im Weltall nur eine theoretische Vermutung. Doch die elektrisch neutralen Elementarteilchen könnten helfen, ein Rätsel zu lösen, das das Neutron, der elektrisch neutrale Baustein der Atomkerne, den Physikern aufgibt. Das Neutron besteht aus positiv und negativ geladenen Quarks und zeigt im Experiment auch eine messbare räumliche Verteilung seiner Ladung. Dabei fallen die positiven und negativen Ladungsschwerpunkte exakt aufeinander, sodass das elektrische Dipolmoment verschwindet. Dies Verhalten ist im Rahmen der gängigen Theorie der Kernkräfte bis heute nicht verstanden.

Doch die Suche nach den Elementarteilchen gestaltet sich schwierig. Denn die Axionen, wie sie die Physiker jetzt im CAST-Experiment suchen, reagieren kaum mit herkömmlicher Materie. Man spricht daher auch vom "unsichtbaren Axion". Die Physiker vermuten, dass Axionen sehr langlebig sind und deshalb als Relikt des Urknalls bis heute in der rätselhaften ‚Dunklen Materie’ überlebt haben könnten. Falls es Axionen gibt, könnte die Sonne eine sehr starke Quelle für sie sein. In ihrem 17 Millionen Grad heißen Inneren könnten Photonen zu Axionen konvertieren. Diese solaren Axionen gelangen - wie die Sonnenneutrinos - ungehindert zur Erde und könnten hier durch Umkehrung des Erzeugungsprozesses in der Sonne in einem starken Magnetfeld in nachweisbare Röntgenstrahlung zurückverwandelt werden.

Abb. 2: Seitenansicht des von den Max-Planck-Instituten für Physik und für extraterrestrische Physik betriebenen Röntgenteleskops. Der fokussierende Spiegel befindet sich links im magnetzugewandten Ende des konischen Teleskopgehäuses, der CCD-Detektor im vertikalen Zylinder am rechten Ende im 1,7 m entfernten Brennpunkt des Teleskops. (Bild: Max-Planck-Institut für Physik / Kotthaus)

Mit ihren Experimenten am CERN wollen die Forscher nun diese Röntgenstrahlung, die womöglich durch die Axionen hervorgerufen wird, aus der gesamten Röntgenstrahlung, die die Detektoren im CAST-Experiment aus anderen Quellen wie der Höhenstrahlung oder der Gammastrahlung der Umgebung erreicht, herausfiltern. Dazu betreibt die CAST-Kollaboration seit dem Jahr 2003 am CERN ein hochempfindliches magnetisches Helioskop für den Axion-Nachweis. Das Helioskop ist schwenkbar montiert und folgt der Sonne täglich für jeweils etwa 90 Minuten während des Sonnenauf- und -untergangs. Während der restlichen Zeit zeichnen die drei unabhängigen Nachweissysteme von CAST Hintergrunddaten auf. Dieser Detektor wurde zu großen Teilen aus Instrumenten aus anderen Anwendungen aufgebaut. Das erforderliche starke Magnetfeld (9 Tesla) wird von einem 10 m langen supraleitenden Magneten erzeugt, der als Prototyp für die Ablenkmagnete des künftigen Protonen-Beschleunigers LHC (Large Hadron Collider) am CERN gedient hatte. Der Beitrag der beiden Max-Planck-Institute ist ein fokussierendes Teleskop für Röntgenstrahlung, das für eine Satellitenmission in der Röntgen-Astrophysik entwickelt wurde. Durch streifende Reflexion an ineinander geschachtelten Spiegelflächen wird die aus Richtung der Sonne durch die Magnetöffnung austretende Röntgenstrahlung auf einen wenige Quadratmillimeter kleinen Brennfleck fokussiert. Zum Nachweis der Röntgenstrahlung dient ein am Halbleiterlabor der MPG entwickelter CCD-Detektor hoher Auflösung und Nachweiseffizienz. Der gleiche Detektor ist bereits seit einigen Jahren in der Röntgen-Satellitenmission XMM-Newton erfolgreich im Einsatz.

Erste Ergebnisse der Messungen aus dem Jahre 2003 haben die Physiker bereits veröffentlicht. Die Ergebnisse zeigen kein Signal für solare Axionen, das aus der Röntgenstrahlung herausgefiltert werden konnte. Doch mit ihren Experimenten können die Wissenschaftler bereits angeben, wie groß die Wahrscheinlichkeit für die Umwandlung von Photonen in Axionen in der Sonne und deren Umkehrung in unserem Magneten höchstens sein kann. Diese Wahrscheinlichkeit wird durch die "Kopplungsstärke" beschrieben.

Auch für die Lebensdauer von sehr alten Sternen könnte die Existenz von Axionen eine wichtige Rolle spielen: Falls es die Elementarteilchen nämlich gibt und in einem Stern, etwa wie der Sonne, produziert werden, verlassen sie diesen wegen ihrer geringen Wechselwirkung mit der Sternmaterie ungehindert. Das führt zu einem zusätzlichen Energieverlust, und die Lebensdauer des Sterns würde verringert. Aus der Tatsache, dass sehr alte Sterne existieren, kann wieder eine Obergrenze für die "Kopplungsstärke" gewonnen werden.

In weiteren Experimenten wird die CAST-Kollaboration ab Ende diesen Jahres die Suche nach solaren Axionen zu größeren Massen hin ausdehnen. Hier besteht aufgrund der hohen Nachweisempfindlichkeit des CAST-Experiments die Möglichkeit, Vorhersagen theoretischer Modelle für die Stärke der Wechselwirkung des Axions zu überprüfen, und die Hoffnung, dieses für die fundamentalen Fragen der Kernkräfte und der Natur der "Dunklen Materie" so bedeutsame Teilchen doch noch aufzuspüren.

An der CAST-Kollaboration sind folgende Institute beteiligt: European Organization for Nuclear Research (CERN), Genève, Switzerland; DAPNIA, Centre d'Études Nucléaires de Saclay (CEA-Saclay), Gif-sur-Yvette, France; Department of Physics and Astronomy, University of South Carolina, Columbia, South Carolina, USA; GSI-Darmstadt and Institut für Kernphysik, Technische Universität Darmstadt, Darmstadt, Germany; Max-Planck-Institut für Extraterrestrische Physik, Garching, Germany; Instituto de Física Nuclear y Altas Energías, Universidad de Zaragoza, Zaragoza, Spain; Enrico Fermi Institute and KICP, University of Chicago, Chicago, Illinois, USA; Aristotle University of Thessaloniki, Thessaloniki, Greece; National Center for Scientific Research "Demokritos," Athens, Greece; Albert-Ludwigs-Universität Freiburg, Freiburg, Germany; Institute for Nuclear Research (INR), Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia; Department of Physics and Astronomy, University of British Columbia, Vancouver, Canada; Johann Wolfgang Goethe-Universität, Institut für Angewandte Physik, Frankfurt am Main, Germany; Max-Planck-Institut für Physik (Werner-Heisenberg-Institut), Munich, Germany; Rudjer Bokovi Institute, Zagreb, Croatia.

Quelle: MPG \[RK/TN\]

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  K. Zioutas et al., First results from the CERN Axion Solar Telescope, Physical Review Letters. 94, 121301 (2005).
  http://dx.doi.org/doi:10.1103/PhysRevLett.94.121301  
• Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V.:
  http://www.mpg.de  
• Max-Planck-Institut für Physik, München:
  http://www.mppmu.mpg.de  
• Spezielle Dokumente und Informationen zum Thema Axion Solar Telescope finden Sie ganz einfach mit der Findemaschine, z. B. mit Hilfe der Kategorieverknüpfung Astrophysik+Teilchenphysik.