Axion

In der Physik bezeichnet Axion ein hypothetisches Elementarteilchen, auf dessen mögliche Existenz man durch das Problem der elektrischen Neutralität des Neutrons der Quantenchromodynamik gestoßen ist. Das Problem ergab sich, da es durch den Vakuumsterm der Quantenchromodynamik zu Quantenfluktuationen der elektrischen Felder des Neutrons kommen sollte und dadurch ein elektrisches Dipolmoment von existieren müsste. Stattdessen wurde selbst bei noch kein elektrisches Dipolmoment gemessen.

Das Problem wird auch als starkes CP-Problem bezeichnet.

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Herleitung

Erhaltungsgröße Symmetrien

Von den grundlegenden diskreten Symmetrien C (Ladungsumkehr, das Austauschen aller Teilchen durch ihre Antiteilchen), P (Parität, Raumspiegelung) und T (Zeitumkehr, die Umkehr des Zeitpfeils), verletzt die starke Wechselwirkung nur P und C einzeln, nicht aber die Kombination CP. Eine Konsequenz ist das verschwindende elektrische Dipolmoment des Neutron.

Einführung des Axion

Während der einfachste Ansatz der Quantenchromodynamik nur eine CP-Verletzung der starken Wechselwirkung erwarten ließe, gelingt es der Peccei-Quinn-Weinberg-Wilczek-Theorie die beobachtete CP-Invarianz zu erklären, sagt aber andererseits ein neues, leichtes, schwach wechselwirkendes Teilchen voraus, das Frank Wilczek nach dem amerikanischen Waschmittel Axion benannte.

Kandidat für dunkle Materie

Axionen werden, neben den Neutrinos und den ebenfalls nur postulierten WIMPs und MACHOs, als mögliche Kandidaten zur Lösung des Problems der dunklen Materie gehandelt.

Axionexperimente

Man teilt die Axionnachweisexperimente in drei Gruppen ein: Laborexperimente, Helioskope und Haloskope.

Laborexperimente

"Licht durch die Wand"-Experimente

Bei den Laborexperimenten handelt es sich um "Licht durch die Wand"-Experimente, wobei ein Laserstrahl ein Magnetfeld passiert und danach durch eine Wand geblockt wird. Auf der anderen Seite der Wand befindet sich ein auf dem Strahl senkrecht stehendes B-Feld (Magnetische Flussdichte) gleicher Stärke und ein auf die Laserquanten (Photonen) geeichter Detektor am Ende des Feldes. Der Trick des Experiments besteht darin, dass durch den Primakoff-Effekt mit Hilfe eines virtuellen Photons durch den Magnet vor der Wand ein Axion entsteht und dieses auf der anderen Seite der Wand durch den umgekehrten Effekt wieder in ein Lichtquant übergeht. Das heißt das ankommende Licht interagiert mit dem Magnetfeld und fluktuiert in eine andere Form die sich über die Wand hinaus ausbreiten kann. Hinter dieser Wand treten erneut Fluktuationen des neuen Zustands zurück zum ursprünglichen Charakter auf. Teile der Photonen konnten also die Wand umgehen so dass diese detektierbar sind. Der Nachweis der Photonen hinter der Wand belegt das kurzzeitige Vorhandensein des Lichts in Form des Axions. Veränderungen an den Feldern wirken sich automatisch auf die detektierte Lichtmenge aus und lassen Rückschlüsse auf die benutzte Axion-Menge zu.

Polarisationexperimente

Helioskope

Kristalline Detektoren

Innerhalb des elektrischen Feldes, wie es bei kristallenen Detektoren vorgehalten wird, ist (falls die Braggbedingung erfüllt ist) die Axion-Photon-Kopplung kohärent. Bekannte Experimente sind SOLAX, COSME und DAMA.

Primakoff-Teleskope

Bei den Primakoff-Teleskopen wird durch Nutzung des Primakoff-Effekts nach Axionen gesucht. (siehe CAST-Experiment am CERN Forschungszentrum). Durch den Primakoff-Efffekt wird ein Axion in einem äußeren Magnetfeld, z.B. bei CAST im Feld eines LHC-Prototyp Magneten mit 9 Tesla Feldstärke in ein Photon umgewandelt. Das Photon mit Energien im keV-Bereich kann dann in Teilchendetektoren wie einer CCD nachgewiesen werden.

Mößbauer-Teleskope

Hierbei wird das Axion durch resonante Anregung eines Atomkernes (ähnlich wie die Anregung durch Photonen beim Mößbauer-Effekt) nachgewiesen. Eine erste Generationen des Experiments ist im Aufbau.

Haloskope

ADMX

Bei der US Large-Scale Axion Search (ADMX) handelt es sich um eine Kollaboration. Beteiligt sind:

• das Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL),
• das Massachusetts Institute of Technology (MIT),
• die University of Florida,
• das Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL),
• das Fermi National Accelerator Laboratory (FNAL),
• die University of Chicago und
• das Institute for Nuclear Research, Moskau.

Das Experiment ist am LLNL aufgebaut. Bei seinem Bau wurden Erfahrungen aus den beiden vorherigen Experimenten, dem University of Florida Experiment (UF) und dem Rochester Fermilab Brookhaven Experiment (RBF), berücksichtigt.

Die Ziele des Experiments sind:

• Die Güte des Experiments so weit zu steigern, dass sich KSVZ Axione aus unserem Halo nachweisen lassen.
• Den Massenbereich von komplett zu detektieren.

Das ADMX-Experiment benutzt einen sogenannten Sikivie-Detektor. Hierbei wird über den Primakoff-Effekt ein Axion innerhalb eines statischen Magnetfeldes erzeugt. Die erzeugte Wellenlänge wird durch die Größe des Behälters begrenzt. Die erzielbare Wellenlänge des Photons wird dabei durch die Resonanzfrequenz des Behälters begrenzt. Der verwendete Zylinder ist 1 m lang und besitzt einen Durchmesser von 0,5 m. Das durch einen supraleitenden Solenoid (Elektromagnet) zur Verfügung gestellte Magnetvolumen beträgt .