Teilchenphysik

War das da eben vielleicht ein Axion?

Von Ulf von Rauchhaupt
20.02.2007
, 16:56
Das Axionenteleskop „Cast” von Cern
Es muss nicht immer das Higgs-Teilchen sein. Ein anderes Partikel ist mindestens genau so heiß - und die Jagd danach hat sich inzwischen zu einem internationalen Wettlauf entwickelt.
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„Axion“ war ursprünglich eine Waschmittelmarke. „Ich sah das Ende der siebziger Jahre“, erinnert sich der Physiknobelpreisträger Frank Wilczek, „und dachte: Das ist doch ein toller Name für ein Teilchen!“ Wilczek befasste sich damals mit einer Idee seiner Kollegen Roberto Peccei und Helen Quinn zur Lösung eines Problems in der Theorie der „Starken Kraft“ (siehe Infografiken). Er erkannte, dass daraus die Existenz eines Teilchens folgen würde - und hatte sogleich einen Namen.

So also kommt die Teilchenphysik heute zu neuen Forschungsgegenständen. Bis in die 1970er Jahre hinein geschah das in der Regel dadurch, dass sich etwas zuvor Unbekanntes in den Instrumenten der Experimentalphysiker verfing. Heute findet sich Neues zuerst in den Gleichungen der Theoretiker. Die Experimentatoren können dann zusehen, wie sie nachweisen, dass das Teilchen wirklich existiert. Denn erst dann gibt es einen Nobelpreis.

Axione gesucht - Experimentierkunst ist gefragt

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Von dem träumt vielleicht auch Krystof Piotrzkowski von der belgischen Universität Louvain, der jetzt den jüngsten Vorschlag dafür unterbreitete, das Axion dingfest zu machen. Anders als beim Higgs-Teilchen bedarf es dazu aber keines monströsen Beschleunigers wie des „Large Hadron Collider“ (LHC), der im Herbst am Forschungszentrum Cern bei Genf in Betrieb gehen soll. Axionen müssten sich mit viel bescheidenerem Aufwand finden lassen. Sie sind sehr leicht, und so bedarf es keiner heftigen Kollisionen, um sie zu produzieren.

Der „Hera”-Tunnel im Forschungszentrum „Desy”
Der „Hera”-Tunnel im Forschungszentrum „Desy” Bild: Desy

Die Ansprüche an die Experimentierkunst sind damit allerdings nicht geringer. Denn das Axion, das Wilczek aus der Theorie der starken Kernkraft ableitete, trägt keine elektrische Ladung und hat auch sonst wenig Affinität zu den normalen Teilchen, aus denen unsere Welt und ihre Messinstrumente bestehen. In astronomischen Mengen freilich würden sie sich durch ihre Schwerkraft bemerkbar machen - und tun dies vielleicht auch schon. Denn im Weltall ist allenthalben eine Gravitationswirkung mit völlig unbekannter Quelle festzustellen. Und bei dieser „Dunklen Materie“ könnte es sich im Prinzip um Axionen handeln, die kurz nach dem Urknall entstanden sind (siehe Grafik C in „Schwingende Billardtische“). Ob das so ist, weiß man erst, wenn man ein Axion im Labor vermessen hat.

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Hamburger „Hera“ kommt ins Spiel - zu spät?

Doch das ist diffizil. Wenn überhaupt, bandeln Axionen höchstens mit den Photonen genannten Teilchen an, aus denen Licht oder elektromagnetische Felder bestehen. Daraus können sie auch gebildet werden. So müssten Axionen, wenn es sie gibt, in Laserstrahlen entstehen, die man durch starke Magnetfelder schickt. Die Felder können das Axion allerdings auch wieder zurück in Licht verwandeln - und genau so könnte man sie nachweisen. Man muss nur das Laserlicht, das die Axionen hervorbringt, mit einer Wand abschotten. Diese sollten die Axionen mühelos durchdringen, sich aber dahinter durch ihren Zerfall im Magnetfeld verraten. So ungefähr sieht auch der Vorschlag Piotrzkowskis aus.

Es ist sogar eine besonders billige Option. Piotrzkowski möchte nämlich eine bestehende Anlage namens „Hera“ (für Hadron-Elektron-Ringanlage) nutzen, einen Beschleuniger des Deutschen Teilchenforschungszentrums „Desy“ in Hamburg. Der Apparat erzeugt einen intensiven Strahl elektromagnetischer Strahlung, und starke Magnete gibt es dort auch. Leider kommt die Idee etwas spät. Nicht nur, weil Hera im Juni seinen Betrieb einstellt, sondern auch, weil im Moment fünf andere Experimente aufgebaut werden, die den Axionen nach dem gleichen Prinzip nachstellen.

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Aufschreckende Messergebnisse aus Triest

Eines davon, „Alps“ (für „Axion-like particle search“), wird den Messbetrieb im Sommer am Desy aufnehmen. Andreas Ringwald, leitender Wissenschaftler bei Alps, sieht wenig Spielraum für noch eine Hamburger Axionenfahndung, zumal die Zeit drängt. „Die Amerikaner sitzen uns im Nacken“, sagt er und meint damit das Jefferson Lab in Virginia, dessen Experiment die U.S. Navy mitfinanziert. Ringwald hält es für denkbar, dass sich die Admiräle davon etwas versprechen: Axionenfunk etwa, mit dem U-Boote durch die Erdkugel hindurch kommunizieren können.

Noch ist das Science Fiction und daher auch nicht der Grund dafür, dass sich der Wettlauf um den ersten Nachweis eines Axions jetzt so verschärft hat. Das liegt eher an Daten, die ein Forscherteam aus Triest im März 2006 veröffentlichte. Sein Experiment heißt „Polarisazzione del Vuoto con Laser“ (PVLAS), zu Deutsch „Vakuumpolarisation mit Laser“, und untersuchte Laserlicht, das ein starkes Magnetfeld passiert. Dabei kann sich, wie gesagt, theoretisch ein Photon mit einem elektromagnetischen Quant des Feldes zusammentun und ein Axion bilden. Das würde sich in einer Drehung der Polarisationsebene des Laserlichtes niederschlagen - genau das glauben die Forscher gemessen zu haben.

Die Sonne hätte ihren Brennstoff bereits aufgezehrt

Diese Messung hat die Szene aufgeschreckt. „Das Axion, das die Theoretiker erwartet haben, kann das nicht sein“, sagt Andreas Ringwald. Denn seine Eigenschaften passen weder zur Theorie von Peccei und Quinn noch zu allen astrophysikalischen Beobachtungen, bei denen sich axionenartige Teilchen bemerkbar machen könnten. Vor allem passen sie nicht zu den Messungen des „Cern Axion Solar Telescope“ (Cast), das seit 2002 nach den Zerfallsprodukten von Axionen aus dem Inneren der Sonne sucht, wo es auch viel Licht und starke Felder gibt. Wenn PVLAS Axionen gesehen hat, dann entstehen und zerfallen diese mit rund tausendmal höherer Wahrscheinlichkeit, als es nach den Cast-Resultaten möglich ist. „Da müssten wir in Photonen geradezu ertrinken“, sagt Markus Kuster von Cast. „Außerdem wäre es unvereinbar mit allem, was wir über die Astrophysik der Sonne wissen.“ Die würde dann nämlich so viel Energie durch entweichende Axionen verlieren, dass sie ihren Brennstoff längst aufgezehrt hätte.

Trotzdem werden die Daten aus Triest ernst genommen. „Das PVLAS-Signal hat die Aktivitäten erst richtig angeheizt“, sagt Andreas Ringwald. Das liegt einerseits an dem guten Ruf der italienischen Gruppe, andererseits an theoretischen Arbeiten, die darauf hinweisen, dass die hohe Temperatur in der Sonne die Axionenproduktion dort unterdrückt und damit die Diskrepanz zwischen PVLAS und Cast erklären könnten. Gerade erschien in den Physical Review Letters eine entsprechende Rechnung zweier amerikanischer Theoretiker. Die Sache hat nur den branchenüblichen Haken. Ihre Theorie sagt ihrerseits ein neues, noch unbekanntes Teilchen voraus.

Quelle: Frankfurter Allgemeine Sonntagszeitung, 18.02.2007, Nr. 7 / Seite 64
Autorenporträt / Rauchhaupt, Ulf von (UvR)
Ulf von Rauchhaupt
Redakteur im Ressort „Wissenschaft“ der Frankfurter Allgemeinen Sonntagszeitung.
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